Стабілітрон — що це — і для чого він потрібен?

Гроші 26 липня 2022 Перегляди: 149

Стабілітрон — це напівпровідниковий діод з унікальними властивостями. Якщо звичайний напівпровідник при зворотному включенні є ізолятором, то він виконує цю функцію до певного зростання величини додатної напруги, після чого відбувається лавиноподібний зворотний пробій. При подальшому збільшенні протікаючого через стабілітрон зворотного струму напруга продовжує залишатися постійним за рахунок пропорційного зменшення опору. Таким шляхом вдається домогтися режиму стабілізації.

У закритому стані через стабілітрон спочатку проходить невеликий струм витоку. Елемент веде себе як резистор, величина опору якого велика. При пробої опір стабілітрона стає незначним. Якщо далі продовжувати підвищувати напругу на вході, елемент починає грітися і при перевищенні струмом допустимої величини відбувається незворотний тепловий пробій. Якщо справа не доводити до нього, при зміні напруги від нуля до верхньої межі робочої області властивості стабілітрона зберігаються.

Коли безпосередньо вмикається стабілітрон, характеристики не відрізняються від діоду. При підключенні плюса до p-області, а мінуса — до n-області опір переходу мало і струм через нього вільно протікає. Він наростає зі збільшенням вхідної напруги.

Стабілітрон — це особливий діод, що підключається здебільшого у зворотному напрямку. Елемент спочатку знаходиться в закритому стані. При виникненні електричного пробою стабілітрон напруги підтримує його постійним у великому діапазоні струму.

На анод подається мінус, а на катод — плюс. За межами стабілізації (нижче точки 2) відбувається перегрів і підвищується ймовірність виходу елемента з ладу.

Характеристики

Параметри стабілітронів такі:

• U_ст — напруга стабілізації при номінальному струмі I_ст;
• I_{ст min} — мінімальний струм початку електричного пробою;
• I_{ст max} — максимальний допустимий струм;
• ТКН — температурний коефіцієнт.

На відміну від звичайного діоду, стабілітрон — це напівпровідниковий пристрій, у якого на вольт-амперній характеристиці області електричного і теплового пробою досить далеко розташовані один від одного.

З максимально допустимим струмом пов’язаний параметр, що часто вказується в таблицях — потужність розсіювання:

P_max = I_{ст max} ^ U_ст.

Залежність роботи стабілітрона від температури може бути як з позитивним ТКН, так і негативним. При послідовному підключенні елементів з різними за знаками коефіцієнтами створюються прецизійні стабілітрони, що не залежать від нагрівання або охолодження.

Схеми включення

Типова схема простого стабілізатора, складається з баластного опору R_б і стабілітрона, що шунтує навантаження.

У деяких випадках відбувається порушення стабілізації.

1. Подача на стабілізатор великої напруги від джерела живлення при наявності на виході фільтруючого конденсатора. Кидки струму при його зарядці можуть викликати вихід з ладу стабілітрона або руйнування резистора R_б.
2. Вимкнення навантаження. При подачі на вхід максимальної напруги струм стабілітрона може перевищити допустимий, що призведе до його розігріву і руйнування. Тут важливо дотримуватися паспортної області безпечної роботи.
3. Опір R_б підбирається невеликим, щоб при мінімально можливій величині напруги харчування і максимально допустимому струмі на навантаженні стабілітрон знаходився в робочій зоні регулювання.

Для захисту стабілізатора застосовуються тиристорні схеми захисту або плавкі запобіжники.

Резистор R_б розраховується за формулою:

R_б = (_Uпіт — U_ном) (I_ст + I_н).

Струм стабілітрона I_ст вибирається між допустимими максимальним і мінімальним значеннями, залежно від напруги на вході _Uпіт і струму навантаження I_н.

Вибір стабілітронів

Елементи мають великий розкид по напруженню стабілізації. Щоб отримати точне значення U_н, стабілітрони підбираються з однієї партії. Є типи з більш вузьким діапазоном параметрів. При великій потужності розсіювання елементи встановлюють на радіатори.

Для розрахунку параметрів стабілітрона необхідні вихідні дані, наприклад, такі:

• _Uпіт = 12-15 В — напруга входу;
• U_ст = 9 В — стабілізована напруга;
• R_н = 50-100 мА — навантаження.

Параметри характерні для пристроїв з невеликим споживанням енергії.

Для мінімальної вхідної напруги 12 В струм на навантаженні вибирається по максимуму — 100 мА. За законом Ома можна знайти сумарне навантаження ланцюга:

R_∑ = 12 В/0,1 А = 120 Ом.

На стабілітроні падіння напруги становить 9 В. Для струму 0,1 А еквівалентне навантаження складе:

_Rекв = 9 В/0,1 А = 90 Ом.

Тепер можна визначити опір баласту:

R_б = 120 Ом — 90 Ом = 30 Ом.

Воно вибирається зі стандартного ряду, де значення збігається з розрахунковим.

Максимальний струм через стабілітрон визначається з урахуванням відключення навантаження, щоб він не вийшов з ладу в разі, якщо який-небудь провід відпаяється. Падіння напруги на резисторі складе:

U_R = 15 — 9 = 6 В.

Потім визначається струм через резистор:

I_R = 6/30 = 0,2 А.

Оскільки стабілітрон підключено до нього послідовно, I_c = I_R = 0,2 А.

Потужність розсіювання складе P = 0,2 ^ 9 = 1,8 Вт.

За отриманими параметрами підбирається відповідний стабілітрон D815V.

Симетричний стабілітрон

Симетричний діодний тиристор являє собою перемикаючий прилад, що проводить змінний струм. Особливістю його роботи є падіння напруги до декількох вольт при включенні в діапазоні 30-50 В. Його можна замінити двома зустрічно включеними звичайними стабілітронами. Пристрої застосовують як переключаючі елементи.

Аналог стабілітрона

Коли не вдається підібрати відповідний елемент, використовують аналог стабілітрона на транзисторах. Їх перевагою є можливість регулювання напруги. Для цього можна застосовувати підсилювачі постійного струму з кількома сходами.

На вході встановлюють ділник напруги з підрядковим резистором R1. Якщо вхідна напруга зростає, на базі транзистора VT1 вона також збільшується. При цьому зростає струм через транзистор VT2, який компенсує збільшення напруги, підтримуючи тим самим його стабільним на виході.

Маркування стабілітронів

Випускаються скляні стабілітрони і стабілітрони в пластикових корпусах. У першому випадку на них наносяться 2 цифри, між якими розташовується буква V. Напис 9V1 позначає, що U_ст = 9,1 В.

На пластиковому корпусі написи розшифровуються за допомогою даташиту, де також можна дізнатися інші параметри.

Темним кільцем на корпусі позначається катод, до якого підключається плюс.

Ув’язнення

Стабілітрон — це діод з особливими властивостями. Гідністю стабілітронів є високий рівень стабілізації напруги при широкому діапазоні зміни робочого струму, а також прості схеми підключення. Для стабілізації малого напруження прилади включають в прямому напрямку, і вони починають працювати як звичайні діоди.