Диод зенера и стабилитрон отличия

Содержание

Диод Зенера и стабилитрон – это два разных электронных компонента, которые широко используются в электротехнике и электронике для стабилизации напряжения. Однако, несмотря на то, что их общая задача – обеспечить постоянную величину напряжения, между ними есть некоторые отличия.

С другой стороны, стабилитрон – это простейший полупроводниковый диод, который также работает в режиме обратного пробоя, но его характеристики не настолько точны, как у диода Зенера. Он обеспечивает более грубую регулировку напряжения и может использоваться там, где не требуется высокая точность стабилизации. В отличие от диода Зенера, стабилитрон имеет более низкое сопротивление, что позволяет использовать его в схемах, где требуется большой ток.

Диод Зенера и стабилитрон: основные различия

1. Принцип работы:

2. Диапазон напряжений:

Диод Зенера способен поддерживать стабильное напряжение в определенном диапазоне, который задается его номинальным значением и допуском. Стабилитрон имеет больший диапазон рабочих напряжений и способен стабилизировать напряжение в более широком диапазоне.

3. Характеристики:

Диод Зенера обладает более низким коэффициентом температурной стабильности и имеет возможность пропускать значительный ток при работе в пробойном режиме. Стабилитрон же имеет высокий коэффициент стабильности, что делает его более точным в регулировке напряжения, но снижает его пропускную способность.

4. Применение:

Диоды Зенера наиболее популярны в электронике и используются для стабилизации напряжения в различных схемах и устройствах. Стабилитроны, в свою очередь, широко применяются в силовой электронике для регулировки напряжения и защиты от перенапряжений.

Что такое диод Зенера и стабилитрон

Диод Зенера — это полупроводниковый диод, предназначенный для работы при обратном включении в режиме лавинного или туннельного пробоя p-n перехода. В этом режиме диод имеет постоянное падение напряжения на себе в широком диапазоне токов. Такой режим называется стабилизацией, а сам диод в этом режиме носит название стабилитрон.

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя для стабилизации напряжения.

В отличие от обычных выпрямительных диодов, стабилитроны специально спроектированы для работы в режиме пробоя. У них оптимизирован профиль легирования p-n перехода для получения стабильных характеристик.

Принцип работы

Принцип работы стабилитрона основан на том, что в режиме пробоя падение напряжения на p-n переходе перестает зависеть от тока в широких пределах. Это происходит благодаря отрицательному дифференциальному сопротивлению в области пробоя.

СТАБИЛИТРОН | Принцип работы, маркировка, схемы включения

Когда через диод начинает протекать ток в обратном направлении, напряжение сначала линейно нарастает, пока не достигает напряжения пробоя Упр. Далее рост тока резко ускоряется, а напряжение перестает зависеть от тока и стабилизируется на некотором уровне Устаб.

Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянное напряжение на своих выводах, поглощая избыточную мощность.

Применение стабилитронов

Стабилитроны используются в трех основных случаях в электронных схемах:

Регулирование напряжения.
Ограничение (обрезание) формы сигналов.
Переключатель (преобразователь) напряжения.

Стабилитрон как регулятор напряжения

Это, пожалуй, наиболее распространенное применение стабилитронов.

Такое применение стабилитронов во многом зависит от способности стабилитронов поддерживать постоянное напряжение независимо от изменений тока питания или тока нагрузки. Общая функция устройства регулирования напряжения заключается в обеспечении постоянного выходного напряжения для нагрузки, подключенной параллельно ему, независимо от изменений энергии, потребляемой нагрузкой (тока нагрузки), или изменений и нестабильности напряжения питания.

Стабилитрон будет обеспечивать постоянное напряжение при условии, что ток остается в диапазоне максимального и минимального обратного тока.

Принципиальная схема, показывающая, как стабилитрон используется в качестве регулятора напряжения, показана на следующем рисунке.

Резистор R1 подключается последовательно со стабилитроном, чтобы ограничить величину тока, протекающего через него, а входное напряжение Vin (которое должно быть больше, чем напряжение стабилитрона) подключается параллельно, как показано на рисунке, и выходное напряжение Vout снимается через стабилитрон с Vout = Vz (напряжение Зенера). Поскольку характеристики обратного смещения стабилитрона необходимы для регулирования напряжения, он подключается в режиме обратного смещения, при этом катод подключается к положительной шине схемы.

Необходимо соблюдать осторожность при выборе номинала резистора R1, так как резистор небольшого номинала приведет к большому току стабилитрона при подключении нагрузки, и это увеличит требования к рассеиваемой мощности стабилитрона, которая может превысить максимальную номинальную мощность стабилитрона и может повредить его.

Номинал используемого резистора можно определить по приведенной ниже формуле.

R1 = ( Vin – Vz ) / Iz
R1 — значение последовательного сопротивления .
Vin — входное напряжение .
Vz — напряжение Зенера .
Iz – ток стабилитрона .

Если мы выберем значение сопротивления R1 по этой формуле, то это гарантирует, что ток в нашей схеме не будет превышать значение тока, который может выдержать стабилитрон.

Одна небольшая проблема, с которой сталкиваются схемы стабилизаторов на основе стабилитронов, заключается в том, что стабилитрон иногда генерирует электрический шум на шине питания при попытках регулировать входное напряжение. Хотя для большинства приложений это не является проблемой, эту проблему можно решить добавлением к стабилитрону развязывающего конденсатора большой емкости. Это помогает стабилизировать выходную мощность стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 — это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов. В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх — входное напряжение, Uвых.ст. — выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения. Здесь все элементарно и просто:

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку. Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт! Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне 5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт, а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт — это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Маркировка стабилитронов

Отечественные и импортные стабилитроны в металлическом корпусе маркируются просто и наглядно. На них наносится наименование прибора и расположение анода и катода в виде схематического обозначения.

Приборы в пластиковом корпусе маркируются кольцами и точками различных цветов со стороны катода и анода. По цвету и сочетанию знаков можно определить тип прибора, но для этого придётся заглянуть в справочники или использовать программы-калькуляторы. И то, и другое можно найти в интернете.

Иногда на маломощных стабилитронах наносят напряжение стабилизации.

Схемы включения стабилитрона

Основная схема включения стабилитрона – последовательно с резистором, который задает ток через полупроводниковый прибор и берет на себя излишек напряжения. Два элемента составляют обычный делитель. При изменении входного напряжения падение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе изменяется.

Такая схема может использоваться самостоятельно и называется параметрическим стабилизатором. Он поддерживает напряжение на нагрузке постоянным, несмотря на колебания входного напряжения или потребляемого тока (в определенных пределах). Подобный блок ещё используют в качестве вспомогательной схемы там, где нужен источник образцового напряжения.

Подобное включение также применяется в качестве защиты чувствительного оборудования (датчиков и т.п.) от нештатного появления высокого напряжения в линии питания или измерения (постоянного или случайных импульсов). Все, что выше напряжения стабилизации полупроводникового прибора, «срезается». Такая схема называется «барьером Зенера».

Раньше свойство стабилитрона «срезать» верхушки напряжения широко использовалось в схемах формирователей импульсов. В цепях переменного тока применялись двуханодные приборы.

Но с развитием транзисторной техники и появлением интегральных микросхем такой принцип стал использоваться редко.

Если под рукой отсутствует стабилитрон на нужное напряжение, его можно составить из двух. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме двух напряжений.

Важно! Нельзя включать стабилитроны параллельно для увеличения рабочего тока! Разброс вольтамперных характеристик приведет к выводу в зону теплового пробоя один стабилитрон, далее выйдет из строя второй из-за превышения тока нагрузки.

Хотя в технической документации времен СССР разрешается параллельное включение зенеров в параллель, но с оговоркой, что приборы должны быть однотипные и суммарная фактическая мощность рассеяния в процессе эксплуатации не должна превышать допустимую для единичного стабилитрона. То есть, увеличения рабочего тока при таком условии не добиться.

Для повышения допустимого тока нагрузки используется другая схема. Параметрический стабилизатор дополняется транзистором, и получается эмиттерный повторитель с нагрузкой в цепи эмиттера и стабильным напряжением на базе транзистора .

В этом случае выходное напряжение стабилизатора будет меньше Uстабилизации на величину падения напряжения на эмиттерном переходе – для кремниевого транзистора около 0,6 В. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, можно включить последовательно со стабилитроном диод в прямом направлении.

Таким способом (включением одного или нескольких диодов) можно подкорректировать выходное напряжение стабилизатора в большую сторону в небольших пределах. Если надо радикально повысить Uвых, лучше включить последовательно ещё одни стабилитрон.

Сфера применения стабилитрона в электронных схемах обширна. При осознанном подходе к выбору этот полупроводниковый прибор поможет решить множество задач, поставленных перед разработчиком.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В: Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт. Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой.

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода. Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности. где Uвх – входное напряжение, Uвых.ст. – выходное стабилизированное напряжение. Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения. Здесь все элементарно и просто:

Будет интересно➡ Что такое полевые транзисторы?

Проверка с помощью регулируемого блока питания

Но это мы только проверили отсутствие обрывов и исправность pn-перехода. Чтобы увидеть, как деталька ведёт себя в области обратных напряжений, нам понадобится собрать простенькую схему. Желательно, чтобы блок питания был регулируемым, с возможностью плавно менять выходное напряжение.

Схема для проверки стабилитронов и диодов

Включаем блок питания и начинаем плавно увеличивать напряжение. В случае диода, миллиамперметр покажет практически отсутствие тока, а всё напряжение питания упадёт на исследуемой детали. То есть сколько мы выставили на блоке питания, столько мы и измерим на диоде, т.к. его сопротивление гораздо больше, чем сопротивление резистора.

Важно! Не следует превышать максимально допустимое обратное напряжение для диода. Для маломощных диодов оно составляет порядка 100В.

В случае стабилитрона будет наблюдаться иная картина. При достижении напряжения стабилизации ток начнёт заметно расти при дальнейшем увеличении напряжения питания. При этом падение напряжения на стабилитроне будет оставаться более-менее постоянным.

И в этом случае также не следует увлекаться, и превышать максимальный ток стабилизации, который зависит от напряжения стабилизации. Если оно не превышает 10 В, можно позволить токи до 40мА, если от 10 до 20 В — то лучше не превышать 20мА, а стабилитрон, BZX55C75, рассчитанный на 75Вольт, имеет предельный ток 5.3 мА.

Приставка к мультиметру для тестирования стабилитронов

Не всегда под рукой есть регулируемый блок питания, особенно с диапазоном напряжения до 100-150В. Поэтому в радиолюбительской литературе в разных вариациях встречается такая приставка к мультиметру для тестирования стабилитронов.

Схема приставки для проверки стабилитронов

По сути, это маломощный генератор высокого напряжения. На транзисторе V1 собран блокинг-генератор. Трансформатор Т1 — из любого простенького блока питания, поставленный «задом наперёд»: сигнал генератора подаётся на вторичную обмотку, а повышенное напряжение снимается с первичной. Далее оно выпрямляется диодом D1 и сглаживается конденсатором C3 (которой должен быть рассчитан на напряжение не менее 250 В). На выходе получается постоянное напряжение порядка 200 Вольт. Причём с помощью переменного резистора R1 можно менять амплитуду сигнала генератора, а, следовательно, и выходное напряжение. Далее это напряжение через токоограничивающий резистор R3 подаётся на тестируемый стабилитрон, параллельно которому подключен вольтметр (предел измерения необходимо установить на 200 В.)

Рекомендуется плавно поднимать напряжение с помощью R1, чтобы не допустить выхода стабилитрона из строя. Кстати, приставка поможет и определить полярность стабилитрона. Если он подключен не так, как на схеме, то вольтметр покажет падение напряжения порядка 0.6 В.

И ещё раз напомню, что на маломощные диоды нельзя подавать напряжение больше 100 В.