Стабилитроны

Определение стабилитрона

Стабилитроном является специальный диод, работающий в режиме пробоя. При достижении напряжения пробоя обратный ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление в области пробоя (отношение изменения тока к вызвавшему это изменение изменению напряжения) составляет единицы-сотни Ом. Если внешнее сопротивление цепи существенно больше динамического сопротивления стабилитрона, то достигается эффект стабилизации напряжения. В международной практике стабилитрон называют диодом Зенера (zener diode).

Условное обозначение стабилитрона представлено на рисунке ZD.1.

Функциональное назначение стабилитрона

Стабилитроны используются в следующих приложениях:

- стабилизаторы напряжения и источники опорного напряжения;

- ограничители амплитуды;

- схемы сдвига уровня напряжения.

Типы стабилитронов

Полупроводниковые стабилитроны разделяются на несколько подклассов:

- стабилитроны малой мощности (менее 1 Вт);

- силовые стабилитроны (1-5 Вт и выше);

- прецизионные стабилитроны (термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой);

- суппрессоры (TVS-диоды) – специализированные быстродействующие и мощные стабилитроны, предназначенные для защиты от перенапряжений.

Вольтамперная характеристика стабилитрона

В отличие от диода основной рабочий участок стабилитрона приходится на область пробоя (куда обычный диод вводить никак нельзя) – рисунок ZD.2. Базовая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне представлена на рисунке ZD.3.

Основные параметры стабилитронов

1. Напряжение стабилизации (Nominal Zener Voltage или Regulator Voltage) V_Z – напряжение соответствующее напряжению пробоя обратной ветви стабилитрона. Указывается при определенном токе I_ZT.

2. Максимальная рассеиваемая мощность (Power Dissipation) P_d – определяется размером кристалла и конструкцией корпуса.

В режиме пробоя на стабилитроне выделяется мощность, равная произведению напряжения пробоя, называемом напряжением стабилизации V_Z и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_ZT:

Максимально допустимое значение P_VS называют максимальной мощностью стабилитрона P_{VS_max}. Максимальная рассеиваемая мощность зависит от температуры окружающей среды – с ростом температуры она уменьшается (эти зависимости представлены в справочных листах).

3. Максимальный рабочий ток (Maximum Zener Current) I_ZM – определяется исходя из напряжения стабилизации и рассеиваемой мощности:

Импульсный ток через стабилитрон может существенно превышать стационарное значение. В справочных листах обычно приводятся данные по максимальному значению импульсного тока в зависимости от длительности импульса. Иногда в справочных листах приводят значение тестового тока (Test Current) I_ZT при котором собственно и измеряется номинальное напряжение стабилизации V_Z.

4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона (Zener Impedance) Z_Z есть отношение приращения напряжения в режиме пробоя к приращению тока в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации. Определяет «нестабильность стабилизации» напряжения в зависимости от тока. В справочных листах обычно приводят динамическое сопротивление при номинальном (иногда максимальном – Maximum Dynamic Impedance) токе и при малом токе (в начале ветви режима пробоя). С ростом тока динамическое сопротивление резко уменьшается. В справочных листах приводят два значения импеданса: Z_ZT - импеданс при тестовом токе (Test Current I_ZT) и I_ZK - импеданс при некотором значении тока существенно меньшем I_ZT и соответствующем точке перегиба ВАХ (Maximum Dynamic Knee Impedance). Knee – колено.

5. Емкость стабилитрона в режиме обратного смещения. В области малых значений напряжений стабилизации и малых обратных смещений может достигать существенных величин в сотни пикофарад, что необходимо учитывать при проектировании динамических схем ограничения напряжения.

6. Максимальный импульсный ток (Max Surge Current) I_ZM – максимальный импульсный непериодический ток стабилитрона определяемый энергией рассеяния кристалла. Указывается при заданной длительности импульса.

7. Максимальный обратный ток утечки (Maximum Reverse Leakage Current) I_R – ток, протекающий через стабилитрон при некотором обратном напряжении V_R не превышающем напряжение стабилизации (обычно в справочных листах указывают ток утечки при V_Rсоставляющем около 70% от V_Z).

8. Падение напряжение прямого смещения (Forward Voltage) V_F – падение напряжения при прямом токе через стабилитрон (в режиме диода). Указывается при некотором значении тока и обычно составляет величину порядка 1,2-1,5 В.

9. Температурный коэффициент (Temperature Coefficient) – показывает относительное изменение напряжения стабилизации с изменением температуры %/°C.

10. Максимальный диапазон напряжения стабилизации (Maximum Voltage Regulation) ΔV_Z– диапазон напряжения, соответствующий ширине участка ВАХ в области участка стабилизации. То есть насколько изменится напряжение на стабилитроне при изменении тока от величины соответствующей началу пробоя до максимального значения.

9. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance Junction to Ambient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом стабилитрона и окружающей средой. Зависит от длины выводов стабилитрона. Чем ближе к плате – тем лучше.

10. Точность, характеризующая разброс по величине напряжения стабилизации.

Последовательное включение стабилитронов

Последовательное соединение стабилитронов одной серии используется:

- с целью увеличения напряжения стабилизации;

- с целью увеличения максимальной мощности стабилизации.

Последовательное соединение стабилитронов одной серии является традиционным способом повышения рабочего напряжения и получения напряжения стабилизации с номиналом, отличающимся от номиналов серийно выпускаемых стабилитронов.

Параллельное соединение стабилитронов не используется из-за рассогласования вольт-амперных характеристик в процессе работы.