Параллельное и последовательное включение стабилитронов. Принцип работы и маркировка стабилитронов. Схема включения стабилитрона

Является разновидностью диода, но имеет уникальное свойство – при обратном включении он открывается при определенном, строго заданном напряжении и начинает пропускать ток. Пока этот ток лежит в определенном пределе, на стабилитроне устанавливается постоянное напряжение. Это позволяет использовать стабилитроны для получения стабильного напряжения, которое необходимо для питания очень многих электронных устройств.

Итак, в нашем распоряжении стабилитрон, к примеру, КС156, набор резисторов и источник постоянного напряжения, величину которого можно регулировать в диапазоне 0…12 В. Соберем следующую схему:

Выкручиваем ручку регулировки блока питания в «0» и подключаем к нему нашу схему, соблюдая полярность. Напряжение на стабилитроне равно нулю, ток через него, ясное дело, тоже не течет. Начинаем увеличивать напряжение. 2 В, затем 3 В. Тока через стабилитрон все еще нет. Продолжаем увеличивать и замечаем, что ток появился – наш стабилитрон открылся.

При дальнейшем повороте ручки ток продолжает расти, напряжение на стабилитроне остается неизменным (в нашем случае – 5.6 В). Увеличиваем еще напряжение и в какой-то момент времени ток исчезает, напряжение на стабилитроне скачком поднимается до напряжения блока питания – наш стабилитрон пробит окончательно и бесповоротно или, как говорят, «сгорел». Стабилитрона мы лишились, но в нашем распоряжении есть полезная информация которую и рассмотрим:

Iст.мин – ток стабилизации минимальный. Минимальный ток, при котором напряжение на стабилитроне перестало расти (прибор вошел в режим стабилизации)
Iст.макс – максимально допустимый ток через стабилитрон. Ток, при котором стабилитрон еще работает, но если его увеличить, прибор сгорит.
Uст – напряжение стабилизации. Напряжение на стабилитроне, которое остается неизменным, пока через стабилитрон течет ток в диапазоне Iст.мин … Iст.макс.

Все эти данные мы получили ценой жизни пусть несложного и недорогого, но прибора. Тем не менее, их совсем несложно получить из справочной литературы, зная тип стабилитрона. Открываем справочник по стабилитронам и смотрим:

КС456А:
Iст.мин – 1 мА;
Iст.макс – 139 мА;
Uст — 5.6 В;
Iст.ном – 30 мА.

У нас даже появилась дополнительная информация: Iст.ном — номинальный ток стабилизации. Именно при таком токе стабилитрон будет работать в оптимальном режиме – если сетевое напряжение начнет «прыгать», то прибор не выйдет из режима стабилизации и не сгорит, а будет продолжать выдавать 5.6 В.

Выпускаются стабилитроны, конечно, на разное напряжение – от единиц и долей до десятков и даже сотен вольт, кроме того, для получения необходимого напряжения стабилизации приборы можно соединять последовательно, но с таким расчетом, чтобы ток через них укладывался в диапазон стабилизации для обоих стабилитронов. При последовательном соединении напряжения стабилизации складываются, параллельно стабилитроны включать нельзя . Почему? В этом несложном вопросе, я думаю, вы разберетесь сами.

Собранная нами схема, по сути, является готовым стабилизатором напряжения, но питать она может только не очень прожорливые схемы, потребляющие единицы, максимум десяток мА. В противном случае изменение сопротивления нагрузки просто выведет стабилитрон из режима. Для получения более мощного стабилизированного источника питания придется схему усложнить, что мы и сделаем в следующий раз.

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U Н = U ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U ст + R ст (I ст – I Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R СТ. Обычно R СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E min  E  E max , то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U CT , а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Все изменения напряжения поглощаются R CT , поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R Н изменяется в пределах от R Н min до R Н max , в этом случае:
,
;
.

Так как R CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U CT также постоянно, то и ток через R CT I CP +I Н CP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I CP и I Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R CT необходимо уменьшать (уменьшать R CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R CT должно быть постоянным.

U Н =U CT ─I Н R доб

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U CT =U CT 1 +U CT 2

Для компенсации температурного дрейфа U CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R T , имеющее ТКR Т обратный по закону ТКU CT .

Для стабилитронов с ТКU CT >0 в качестве R T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

1.10.2. Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r б и малое значение R диф. Слабая зависимость U ПР от I ПР на

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

Стабилитрон, он же диод Зенера, назван в честь первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера и на схемах обозначается следующим образом.

Но в отличие от выпрямительного диода ток через него может течь в обоих направлениях.

Для лучшего понимания его работы, можно представить его как два диода, включённых встречно-параллельно, но с разным падением напряжения.

Для любого стабилитрона, падение напряжение на одном из его диодов равно примерно 0.7 вольт, а падение напряжение на другом зависит от выбранного стабилитрона, так как разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 вольт). Например, для BZX55C3V3 прямое падение напряжение равно 0.7 вольта, а напряжение пробоя, по нашей аналогии падение напряжения на втором диоде, равно 3.3 вольта.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт - амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.

Правая ветвь ВАХ аналогична ВАХ диода, а левая отвечает за тот самый туннельный пробой. Пока обратное напряжение не достигло напряжения пробоя, ток через стабилитрон практически не течёт, не считая утечки. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, в определенный момент начинается пробой, он характеризуется загибом ВАХ. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к туннельному пробою, в этом состоянии ток через стабилитрон растёт, а напряжение нет.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.

Давайте соберём её, подключив осциллограф вместо нагрузки и подадим на вход треугольный сигнал амплитудой 10 вольт. Напряжение генератора - первый канал, напряжение на стабилитроне - второй канал.

На осциллограмме видно, что напряжение на стабилитроне изменяется от -0,88 до 3,04 вольта.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными.
При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.

При обратном включении стабилитрона, когда на аноде минус, на катоде плюс.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.

• Vz - напряжение стабилизации , обычно указывается минимальное и максимальное значение
• Iz и Zz - минимальный ток стабилизации и сопротивление стабилитрона
• Izk и Zzk - ток и сопротивление в точке, где начинается "излом" характеристики
• Ir и Vr - обратный ток и напряжение при заданной температуре
• Tc - температурный коэффициент
• Izrm - максимальный ток стабилизации

Что же произойдёт когда мы подключим нагрузку?
Ток, протекающий через стабилитрон уменьшиться, так как часть его потечёт через нагрузку. Вопрос в том насколько уменьшится, если ток через стабилитрон станет меньше минимального тока стабилизации стабилитрон перестанет стабилизировать напряжение и всё напряжение питания окажется приложенным к нагрузке. Из этого можно сделать вывод, что при отключенной нагрузке ток через стабилитрон должен быть равен сумме 2-х токов, минимального тока стабилизации и тока нагрузки.
Эта сумма токов задается с помощью гасящего резистора, в нашей схеме его номинал 1К.

Формула для его вычисления выглядит следующим образом

Стабилитрон - специальный диод, который способен работать в условиях обратного смещения в зоне пробоя без какого-либо ущерба для себя.

Принцип действия стабилитрона

График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.

Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока. Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.

Напряжение стабилитрона

Необходимое напряжение стабилитрона - это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.

Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.

Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.

При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.

Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку. Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Современная электронная аппаратура предъявляет жёсткие требования к стабильности постоянного напряжения источника питания. Настолько жёстки эти требования, можно судить по таким цифрам. Малой стабильностью считают такую, при которой изменения выходного напряжения источника питания составляют 2-5%, средней стабильностью 0,5-2%, высокой 0,1-0,5%, очень высокой - менее 0,1%. Такие высокие показатели стабильности высокого напряжения источника питания невозможно получить без специального устройства - стабилизатора постоянного напряжения, который включается на выходе источника питания.

Следует заменить, что основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и сопротивление нагрузки. Оба дестабилизирующих фактора могут быть медленными - от нескольких минут до нескольких часов и быстрыми - доли секунды. И те и другие изменения постоянного напряжения отрицательно сказываются на работе электронной аппаратуры, поэтому стабилизатор должен действовать непрерывно и автоматически.

На основании изложенного можно дать следующее определение. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Основой его служит стабилитрон - кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и нагрузка, подключенная к нему, поддерживается практически постоянным.

Рисунок 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Вольтамперные характеристики нескольких, наиболее часто используемых стабилитронов , показаны на рисунке 1. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растёт очень медленно (на характеристике - горизонтальный участок ветвей), а затем, при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-n перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике - спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС 133А, например, при 3…3,7 В, у стабилитрона Д808 - при 7…8,5 В.

В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик. Пробой р-n перехода не ведёт к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.

Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему это малому изменению тока стабилизации.

Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации, т.е наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме пробоя устойчива, и не больше максимального тока стабилизации наибольшего тока, при котором температура нагрева р-n перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируется по его напряжению стабилизации - напряжению между его выводами в рабочем режиме.

Рисунок 2 Электрическая принципиальная схема простейшего параметрического стабилизатора

Практическая часть

1) Снятие вольтамперной характеристики

Рисунок 3 Электрическая принципиальная схема для снятия вольт амперной характеристики стабилитрона

Тут приведена полярность для обратной ветви характеристики, для снятия прямой ветви соответственно изменить полярность питания и подключения измерительных приборов.

Соберём схему по рисунку 3. Для снятия вольтамперной характеристики стабилитрона вначале изменяют прямое, а затем обратное напряжение, подводимое к диоду, и следят за изменениями тока в цепи. Для построения характеристики достаточно снять 5-6 показаний приборов для прямой и 8-10 показаний для обратной ветви характеристики. Особенно тщательно следует снимать характеристику на участке стабилизации, так как здесь в широком диапазоне изменения тока диода напряжение Uст меняется незначительно. Данные наблюдений записывают в таблицу I= f (U)

2) Построение вольтамперной характеристики

График вольтамперной характеристики кремниевого стабилитрона строят по результатам таблицы. Примерный вид вольтамперной характеристики показан на рисунке 4.

Рисунок 4 Примерный вид вольтамперной характеристики

Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема для исследования параметрического стабилизатора

Схема для исследования параметрического стабилизатора показана на рисунке 5. Поочередно осуществляется подключение нагрузочных резисторов R2 или R3 с разными сопротивлениями, тем самым изменяется нагрузочный ток.

Порядок выполнения работы

1. Подключить к схеме для исследования параметрического стабилизатора измерительную аппаратуру и источник питания. Подготовить приборы для измерения соответствующих параметров.
2. Рассчитать по известным параметрам схемы коэффициент стабилизации напряжения Кст стабилизатора.
3. Определить экспериментально и записать в таблицу коэффициент стабилизации напряжения при изменениях входного напряжения от 25 до 30 В для обоих нагрузочных резисторов. Для чего установить входное напряжение стабилизатора с точностью до 0,05 В. Затем увеличив входное напряжение до 30 В снова измерить входное напряжение. По результатам измерений, записанных в таблицу, по формуле (6) определить искомый коэффициент стабилизации, сравнив с расчётами, сделанными в п.2, учитывая, что они могут отличаться на 20-30%.
4. Определить расчётно-экспериментальным путём минимальное и максимальное сопротивление балластного резистора. Для определения сопротивление балластного резистора по формулам (4) необходимо измерить минимальное и максимальное значения нагрузочного тока, определённое при любом входном напряжении от 25 до 30 В. В качестве напряжения Uст принять значение напряжения Uн из таблицы, округляя его до 0,1 долей вольта.
5. Определение коэффициента стабилизации.

Используемый в лабораторной работе стабилитрон Д814Б и резисторы (балластное сопротивление R1 МЛТ-2 510 Ом, нагрузочные резисторы R2 МЛТ-1 1 кОм и R3 МЛТ-0,5 3 кОм) закреплены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

Первая часть лабораторной работы состоит в снятии прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики стабилитрона

Во второй части на основе стабилитрона собирается простейший параметрический стабилизатор.

Меняя напряжение на входе стабилизатора, можно убедиться, что напряжение на нагрузке (резистор R2 или R3) изменяться практически не будет. Аналогично переключая резисторы R2 или R3 можно удостовериться, что изменение сопротивления нагрузки также не приводит к значительным колебаниям напряжения на ней.

Здесь были использованы сокращения материала в теоретической части, полную версию работы прочитайте . Специально для сайт - Denev

Обсудить статью СТАБИЛИТРОНЫ