Стабилитрон относится к одному из применяемых радиоэлектронных элементов. Каждый более-менее качественный блок питания содержит узел стабилизации напряжения, которое может изменяться при изменении сопротивления нагрузки либо при отклонении входного напряжения от номинального значения.
Стабилизация напряжения выполняется главным образом с целью обеспечения нормального режима работы остальных радиоэлементов устройства, например микросхем, транзисторов, микроконтроллеров и т.п.
Стабилитроны широко используются в маломощных блоках питания либо в отдельных его узлах, мощность которых редко превышает десятки ватт.
Главное преимущество стабилитронов – их малая стоимость и габариты, поэтому они до сих пор не могут вытисниться интегральными стабилизаторами напряжения типа LM7805 или 78L05 и т.п.
Стабилитрон очень похож на диод, поскольку его полупроводниковый кристалл помещен в аналогичный корпус.
Условное графическое обозначение стабилитрона на чертежах электрических схем также похоже на обозначение диода, только со стороны катода добавлена короткая горизонтальная черточка, направленная в сторону анода.
Принцип работы стабилитрона
Рассмотрим принцип работы стабилитрона на примере схемы его включения и вольт-амперной характеристике. Для выполнения своей основной функции стабилитрон VD соединяется последовательно с резистором Rб и вместе они подключаются к источнику входного нестабилизированного напряжения Uвх. Уже стабилизированное выходное напряжение Uвых снимается только с выводов 2, 3 VD. Поэтому нагрузка Rн подключается к соответствующим точкам 2 и 3. Как видно из схемы, VD и Rб образуют делитель напряжения. Только сопротивление стабилитрон имеет не постоянно значение и называется динамическим, поскольку зависит от величины электрического тока, протекающего через полупроводниковый прибор.
Величина напряжения Uвх, подаваемого на стабилитрон с резисторов должна быть выше на минимум на пару вольт выходного напряжения Uвых, в противном случае полупроводниковый прибор VD не откроется и не сможет выполнять свою основную функцию.
Допустим, в какой-то произвольный момент времени на выходах 1 и 3 значение Uвх начало возрастать. В схеме начнут протекать следующие процессы. С ростом напряжения согласно закону Ома начнет возрастать ток, назовем его входным током Iвх. С увеличением ток возрастет падение напряжения на резисторе Rб, а на VD она останется неизменным (это будет пояснено далее на характеристике), поэтому и Uвых останется на прежнем уровне. Следовательно, прирост входного напряжения упадет или погасится на резисторе Rб. Поэтому Rб называют гасящим или балластным.
Теперь, допустим, изменилась нагрузка, например, снизилось сопротивление Rн, соответственно возрастет и ток Iн. В этом случае снизится ток, протекающий стабилитрон Iст, а Iвх останется практически без изменений.
Как отличить стабилизационный диод от обычного полупроводника
Очень часто люди задаются вопросом, как можно отличить стабилитрон от стандартного полупроводника, ведь, как мы выяснили раньше, оба этих элемента имеют практически идентичное обозначение на электросхеме и могут выполнять схожие функции. Самым простым способом отличить стабилизационный полупроводник от обычного является использование схемы приставки к мультиметру. С его помощью можно не только отличить оба элемента друг от друга, но и выявить напряжение стабилизации, которое характерно для данного смд (если оно, конечно, не превышает 35В). Схема приставки мультиметра является DC-DC преобразователем, в которой между входом и выходом имеется гальваническая развязка. Эта схема имеет следующий вид:
Схема приставки мультиметра
В ней генератор с широтно-импульсной модуляцией выполняется на специальной микросхеме МС34063, а для создания гальванической развязки между измерительной частью схемы и источником питания контрольное напряжение следует снимать с первичной обмотки трансформатора. Для этой цели имеется выпрямитель на VD2. При этом величина для выходного напряжения или тока стабилизации устанавливается путем подбора резистора R3. На конденсаторе С4 происходит выделение напряжения примерно в 40В. При этом проверяемый смд VDX и стабилизатор для тока А2 будут формировать параметрический стабилизатор. Мультиметр, который подключили к выводам Х1 и Х2, будет измерять на данном стабилитроне напряжение. При подключении катода к «-«, а анода к «+» диода, а также к несимметричному смд мультиметра, последний покажет незначительное напряжение. Если подключать в обратной полярности (как на схеме), то в ситуации с обычным полупроводником прибор будет регистрировать напряжение около 40В.
Здесь трансформатор Т1 будет намотан на торообразном ферритовом сердечнике с внешним диаметром в 23 мм. Такая обмотка 1 будет содержать 20 витков, а вторая обмотка — 35 витков провода ПЭВ 0,43
При этом важно при намотке укладывать виток к витку. Следует помнить, что первичная обмотка идет на одной части кольца, а вторая – на другой. Проводя настройку прибора, подключите резистор вместо smd VDX
Этот резистор должен иметь номинал 10 кОм. А сопротивление R3 нужно подбирать для того, чтобы добиться напряжения в 40В на конденсаторе С4 Вот так можно выяснить, стабилитрон у вас или обычный диод.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона аналогично ВАХ диода и имеет две ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочей для диода, а обратная ветвь характеризует работу стабилитрона, поэтому он включается в электрическую цепь в обратном направлении (катодом к плюсу, а анодом к минусу) по сравнению с диодом. Поэтому стабилитрон называю опорным диодом, а источник питания с данным полупроводниковым элементом называют опорным источником напряжения. Такой терминологий будем пользоваться и мы.
На обратной ветви вольт-амперной характеристик опорного диода выделим две характерные точки 1 и 3. Точка 1 отвечает минимальному значению тока стабилизации, который находится в пределах единиц миллиампер. Если ток, протекающий через стабилитрон, будет ниже точки 1, то он не сможет выполнять свои функции (не откроется). В случае превышения тока выше точки 3 опорный диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому оптимальной точкой в большинстве случае будет точка посредине обратной ветви ВАХ, то есть точка 2. Тогда при изменении тока в широких пределах (смотрите ось Y) точка 2 будет изменять свое положение, перемещаясь вверх или вниз по обратной ветви, а напряжение будет изменяться незначительно (смотрите ось X).
Немного подробнее о модуле и принципе его работы
Это полупроводниковый диод, который имеет свойство выдавать определенное значение напряжения вне зависимости от подаваемого на него тока. Это утверждение не является до конца верным абсолютно для всех вариантов, потому что разные модели имеют разные характеристики. Если подать очень сильный ток на не рассчитанный для этого модуль SMD (или любой другой тип), он попросту сгорит. Поэтому подключение выполняется после установки токоограничивающего резистора в качестве предохранителя, значение выходного тока которого равняется максимально возможному значению входного тока на стабилизатор.
Схемы подключения стабилитрона и стабистора в схему
Он очень похож на обыкновенный полупроводниковый диод, но имеет отличительную черту – его подключение выполняется наоборот. То есть минус от источника питания подается на анод стабилитрона, а плюс – на катод. Таким образом, создается эффект обратной ветви, который и обеспечивает его свойства.
Похожим модулем является стабистор – он подключается напрямую, без предохранителя. Используется в тех случаях, когда параметры входного электричества точно известны и не колеблются, а на выходе получается тоже точное значение.
Встречное, параллельное, последовательное соединение стабилитронов
Для повышения напряжения стабилизации можно последовательно соединять два и более стабилитрона. Например на нагрузке нужно получить 17 В, тогда, в случае отсутствия нужного номинала, применяют опорные диоды на 5,1 В и на 12 В.
Параллельное соединение применяется с целью повышения тока и мощности.
Также стабилитроны находят применение для стабилизации переменного напряжения. В этом случае они соединяются последовательно и встречно.
В один полупериод переменного напряжения работает один стабилитрон, а второй работает как обычный диод. Во второй полупериод полупроводниковые элементы выполняют противоположные функции. Однако в таком случае форма выходного напряжения будет отличается от входного и выглядит как трапеция. За счет того, что опорный диод будет отсекать напряжение, превышающее уровень стабилизации, верхушки синусоиды будут срезаться.
Основные характеристики
В паспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:
- Номинальное напряжение стабилизацииUст
. Этот параметр выбирает производитель устройства. - Диапазон рабочих токов
. Минимальный ток – величина тока, при которой начинается процесс стабилизации. Максимальный ток – значение, выше которого устройство разрушается. - Максимальная мощность рассеивания
. В маломощных элементах это паспортная величина. В паспортах мощных стабилитронов для расчета условий охлаждения производитель указывает: максимально допустимую температуру полупроводника и коэффициент теплового сопротивления корпуса.
Помимо параметров, указываемых в паспорте, стабилитроны характеризуются и другими величинами, среди которых:
- Дифференциальное сопротивление
. Это свойство определяет нестабильность устройства по напряжению питания и по току нагрузки. Первый недостаток устраняется запитыванием стабилизирующего диода от источника постоянного тока, а второй – включением между стабилитроном и нагрузкой буферного усилителя постоянного тока с эмиттерным повторителем. - Температурный коэффициент напряжения
. В соответствии со стандартом эта величина равна отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению наружной температуры. В нетермостабилизированных стабилитронах при нагреве от +25°C до +125°C напряжение стабилизации сдвигается на 5-10% от первоначального значения. - Дрейф и шум
. Эти характеристики для обычных стабилитронов не определяются. Для прецизионных устройств они являются очень важными свойствами. В обычных (непрецизионных) стабилитронах шум создают: большое количество посторонних примесей и дефекты кристаллической решетки в области p-n перехода. Способы снижения шума (если в этом есть необходимость): защитная пассивация оксидом или стеклом (примеси направляются вглубь кристалла) или перемещением вглубь кристалла самого p-n-перехода. Второй способ является более радикальным. Он востребован в диодах с низким уровнем шума со скрытой структурой.
Маркировка стабилитронов
Маркировка наносится на корпус стабилитрона в виде цифр и букв (или буквы). Различают принципиально два разных типа маркировки. Стабилитрон в стеклянном корпусе имеет привычную для нас маркировку, непосредственно обозначающую номинальное напряжение стабилизации. Цифры могут быть разделены буквой V, выполняющую роль десятичной точки. Например, 5V1 означает 5,1 В.
Менее понятный способ маркировки состоит из четырех цифр и буквы в конце. Если вы не опытный радиолюбитель, то без даташита никак не обойтись. Для примера расшифруем параметры опорного диода серии 1N5349B. Больше всего нас интересует первый столбец, в котором приведено номинальное напряжение 12 В. Второй столбец – номинальное значения ток – 100 мА.
Катод стабилитрона любого типа обозначается кольцом черного или синего цвета, которое наносится на корпус со стороны соответствующего вывода.
Маркировка SMD стабилитронов
Наибольшее распространение получили опорные диоды в стеклянном корпусе и в пластмассовом корпусе с тремя выводами. Маркировка SMD стабилитрона в стеклянном корпусе состоит из цветного кольца, цвет которого обозначает параметры данного полупроводникового прибора.
Если вам встретился SMD стабилитрон с тремя выводами, то следует знать, что один вывод – это «пустышка», то есть он не задействован и применяется лишь для надежной фиксации элемента на печатной плате после пайки. Анод и катод такого экземпляра проще всего определить с помощью мультиметра.
Мощность рассеивания стабилитрона
Мощность рассеивания стабилитрона Pст характеризует его способность не перегреваться выше определенной температуры на протяжении длительного времени. Чем выше значение Pст, тем больше тепла способен рассеять полупроводниковый прибор. Мощность рассеивания рассчитывается для самых неблагоприятных условий работы прибора, поэтому в ниже приведенную формулу подставляют максимально возможное в работе Uвх и наименьшие значения Rб и Iн:
Существует ряд стандартных номиналом по данному параметру: 0,3 Вт, 0,5 Вт, 1,3 Вт, 5 Вт и т.п. Чем больше Pст, тем больше габариты полупроводникового прибора.
Как проверить стабилитрон
Проверить стабилитрон на предмет исправности довольно просто и быстро можно с помощью простейшего мультиметра. Для этого мультиметр следует перевести в режим «прозвонка», как правило, обозначенный знаком диода. Затем, если положительным щупом мультиметра прикоснуться анода, а отрицательным – катода, то на дисплее измерительного прибора мы увидим некоторое значение падения напряжения на pn-переходе. Поскольку к полупроводниковому прибору приложено прямое напряжение (смотрите прямую ветвь вольт-амперной характеристики), то опорный диод откроется.
Теперь, если щупы мультиметра поменять местами, тем самым приложить к выводам полупроводникового прибора обратное напряжение (смотрите обратную ветвь ВАХ), то он окажется заперт и не будет проводить ток. На дисплее измерительного прибора отобразится единица, обозначающая бесконечно высокое сопротивление.
Если в обеих случаях мультиметр покажет единицу или будет звенеть, то стабилитрон непригоден.
Что такое диод, и для чего он нужен?
Прежде всего, рассмотрим классификацию радиоэлементов. Поскольку вакуумные и газонаполненные диоды являются скорее экзотикой, рассматривать будем лишь полупроводниковые приборы.
Классификация по назначению:
Выпрямительные. Самый распространенный тип элемента. Применяется для получения постоянного тока из переменного. Для этого применяются специальные выпрямительные схемы – мосты.
Выпрямительные сборки настолько популярны, что они выпускаются сразу в готовом виде, диоды имеют общий корпус и четыре контакта с маркировкой.
Детекторные. Используется способность детали детектировать сигнал. Применяется в основном в радиоприемниках. Многие радиолюбители знакомы с термином «детекторный приемник». Его работа построена на детекторном диоде.
Импульсные. Исходя из названия, применяются в импульсных схемах.
Смесительные. Используются в системах преобразования высокочастотных токов в сигналы промежуточной частоты.
Ограничительные. На них строятся схемы защиты аппаратуры от скачков напряжения.
Умножительные. Их сфера применения – умножители напряжения.
Генераторные. Используются в генераторах частоты.
Настроечные и параметрические. Используются в схемах с управляемыми характеристиками, для настройки и поддержания параметров.
В зависимости от назначения, диоды бывают:
- Низкочастотными;
- Высокочастотными;
- Для работы со сверхвысокими частотами (СВЧ).
Классификация конструктивного исполнения:
Диод Шоттки.
В качестве полупроводника используется металл, вместо классического p-n перехода. За счет этого, диод имеет мизерное падение напряжения при прямом токе. Широкое применение такой конструкции ограничено существенным недостатком – при значительном обратном токе диод быстро выходит из строя. Эта особенности учитывается при его проверке.
Как проверить диод Шоттки? Контроль мультиметром в режиме «проверка диода» может показать положительный результат, даже при пробитом полупроводнике. Необходимо замерять сопротивление между рабочими электродами в прямом и обратном подключении в режиме «прозвонка».
Тестер в одном случае показывает низкое сопротивление, а в другом – бесконечно большое. Такой диод исправен.
При подозрении на «пробой» проведите измерение в диапазоне «20 кОм». Сопротивление обратному току должно быть бесконечно большим. При значении 1-2 кОм – диод неисправен.
Посмотрите видео на тему: «Как проверить диод Шоттки мультиметром».
Стабилитрон. Способность давать стабильные токи в режиме пробоя – особенность диода, которая применяется в стабилизаторах напряжения. В данном случае конструктивный недостаток применяется как основная характеристика. Как проверить диод-стабилитрон мультиметром? Также, как обычный диод. Напряжение тестера не способно организовать пробой с обратным током.
Стабистор. Назначение такое же, как у стабилитрона, но зависимость напряжения от силы тока тут меньше. Поэтому стабисторы применяются для меньших напряжений.
Диод Ганна. Эти детали вообще не имеют p-n перехода в полупроводниковом кристалле. Его работа основана на собственных эффектах монокристалла, в отличие от перехода в классическом диоде. Применяется в диапазонах СВЧ
Внимание! Проверка диода мультиметром невозможна. Для этого применяются стенды СВЧ. Варикап
Некая смесь диода с конденсатором. Емкость зависит от обратного напряжения p-n перехода. Применяются в радиосвязи, на них строятся колебательные контуры
Варикап. Некая смесь диода с конденсатором. Емкость зависит от обратного напряжения p-n перехода. Применяются в радиосвязи, на них строятся колебательные контуры.
Фотодиод.
При попадании световой энергии на чувствительный элемент – в p-n переходе возникает разность потенциалов. Замкнув цепь, мы получаем электрический ток. Принцип фотодиодов применен в солнечных элементах электростанций. Широкое распространение эти элементы получили в датчиках освещенности и движения.
Как проверить фото-диод тестером? Подключиться к электродам в режиме измерения постоянного напряжения и направить не кристалл мощный свет. На шкале появится значение напряжения.
Светодиод.
На этом элементе остановимся подробнее. Элемент работает так же, как обычный полупроводниковый диод. Пропускает ток лишь в одном направлении. Однако его кристалл начинает излучать свет при определенной силе тока. Для усиления яркости, место p-n перехода покрывают люминофором. В результате сила света может достигать десятков люменов на одном кристалле.
Подбирая различные материалы, можно получить любой спектр – от инфракрасного до видимого (разных цветов), и ультрафиолетового.
