Что такое стабилитрон?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это диод, состоящий из полупроводника n-типа и полупроводника p-типа, соединенных вместе, и имеющий относительно небольшое обратное напряжение и стабильное значение напряжения. Их также называют диодами постоянного напряжения.

Обычные диоды демонстрируют выпрямляющий эффект, при котором степень проводимости изменяется в соответствии с полярностью смещения, приложенного к обоим концам, и ток не течет даже при приложении очень высокого обратного напряжения смещения. Однако особый тип диода, называемый стабилитроном, демонстрирует диодные характеристики, которые позволяют большому количеству тока быстро течь, когда применяется относительно небольшое обратное напряжение смещения выше определенного порога.

Используя уникальные выпрямляющие характеристики стабилитронов, в цепи можно поддерживать постоянное напряжение.

Применение стабилитронов

Стабилитроны характеризуются тем, что при приложении обратного смещения выше определенного значения происходит быстрый поток тока и дальнейшее увеличение напряжения подавляется. По этой причине они используются для поддержания напряжения нестабильных источников питания на постоянном уровне и для защиты цепей от импульсных токов.

Например, стабилитрон подключается параллельно нестабильному источнику питания с обратным смещением. В результате, если напряжение источника питания выше пробивного значения стабилитрона, через стабилитрон протекает большой ток, тем самым понижая напряжение и поддерживая постоянное напряжение в цепи.

Принцип работы стабилитрона

Говорят, что происхождение уникальных характеристик, демонстрируемых диодами Зенера, связано с двумя факторами: эффектом Зенера и лавинным эффектом. Первый — это явление (уникальное для диодов Зенера), при котором обедненный слой, образующийся при приложении обратного смещения, становится тоньше за счет намеренного создания pn-перехода с использованием полупроводника с высокой концентрацией примесей, и при определенном пороговом значении электроны перескакивают через обедненный слой из-за туннельного эффекта, вызывая электрическую проводимость.

Последний — это явление, при котором электроны, ускоренные сильнее, чем те, у которых больше смещение, сталкиваются с атомами полупроводника, выбивая много носителей, а выбитые электроны многократно сталкиваются с атомами полупроводника, выбивая больше носителей, вызывая электронную лавину и большой ток.

Когда смещение превышает пороговое значение, происходит лавинный эффект, при котором электроны, которые перескакивают через обедненный слой из-за эффекта Зенера, вызывают высокое обратное смещение, которое приводит к большому току, который, в свою очередь, вызывает падение напряжения, тем самым понижая напряжение до порогового значения.

Напряжение, приложенное к схеме, затем поддерживается постоянным, стабилизируя нестабильный источник питания и защищая схему от внешних скачков напряжения. В настоящее время обратное пробивное напряжение этих диодов Зенера может быть изготовлено с чрезвычайной управляемостью, в зависимости от соотношения концентрации примесей и обработки полупроводника.

На рынке представлен широкий ассортимент типов и допусков: от 1 В до нескольких сотен В с узкими допусками ±0,05% в зависимости от значения напряжения.

Другая информация о стабилитронах

1. Последовательное и параллельное соединение стабилитронов

Последовательное соединение
При последовательном подключении стабилитронов обратите внимание на значение тока стабилитрона lz, который протекает. Максимально допустимый ток для всей серии соответствует меньшему допустимому току подключенного стабилитрона. Поэтому используйте его в пределах меньших допустимых потерь.

Также обратите внимание, что если ток стабилитрона для спецификации напряжения стабилитрона отличается для каждого диода, значение напряжения будет отличаться от напряжения стабилитрона, которое вы хотите получить. Причина этого в том, что один из стабилитронов не будет иметь указанное значение тока стабилитрона.

Параллельное соединение
Диоды Зенера нельзя подключать параллельно, так как это увеличивает допустимые потери диода Зенера. Обратите внимание, что при параллельном подключении ток Зенера может концентрироваться в том, который имеет более низкое напряжение Зенера, и превышать допустимую рассеиваемую мощность.

2. Характеристики диода Зенера

Температурные характеристики
Температурные характеристики означают, что характеристики изменяются с температурой. В случае диода Зенера эта температурная характеристика изменяется в зависимости от напряжения Зенера. Причиной этого являются «туннельный эффект» и «лавинный эффект».

Температурный коэффициент туннельного эффекта отрицательный, а лавинного эффекта положительный. Поэтому, если напряжение Зенера низкое, напряжение Зенера будет уменьшаться по мере повышения температуры окружающей среды. С другой стороны, диоды с высоким напряжением Зенера характеризуются увеличением напряжения Зенера по мере повышения температуры окружающей среды.

Низкое напряжение Зенера здесь обычно относится к напряжению ниже 5 В, тогда как высокое напряжение Зенера здесь обычно относится к напряжению выше 5 В. При напряжении около 5 В явление Зенера вызвано комбинированным эффектом туннелирования и лавинного эффекта. В это время температурные характеристики также примерно одинаковы, что делает напряжение Зенера менее чувствительным к температуре окружающей среды.

Шум
В стабилитронах, чем выше напряжение стабилитрона, тем выше шум, а чем выше ток, тем ниже шум. Чтобы предотвратить шум, несколько элементов с низким напряжением стабилитрона должны быть соединены последовательно. Шум также можно устранить, подключив конденсатор параллельно стабилитрону.

3. [По применению] Как выбрать диод

Хотя характеристики и применение стабилитронов были описаны, существуют и другие различные полупроводниковые диодные устройства. Вот дополнительное объяснение отличий от других диодов и их характеристик.

Одним из устройств, которое использует обратные характеристики, является TVS-диод (подавитель переходного напряжения). Как и стабилитроны, эти диоды используются для защиты от перенапряжения, но в отличие от стабилитронов TVS обычно выключены и включаются только при подаче импульсного напряжения.

Диоды с барьером Шоттки, в которых используется металл-полупроводниковый барьер Шоттки, имеют еще более низкие значения напряжения и часто используются для выпрямительных приложений с высокими скоростями переключения. Также используются PIN-диоды с уменьшенной емкостью выводов для радиочастотных (высокочастотных) приложений.