Александр Кораблев
В кратком обзоре рассмотрены основные параметры стабилитрона и приведены некоторые из многих возможных вариантов схем с его использованием.
Введение
Отцом стабилитрона считается американский физик Кларенс Зенер (Clarence Melvin Zener): в 1934 г. он описал туннельный пробой (иногда его называют пробоем Зенера) и электрические свойства диода, работающего в обратном направлении. Поэтому в англоязычной литературе стабилитрон принято называть диодом Зенера. Туннельный и лавинный пробой показаны на вольтамперной характеристике стабилитрона (см. рис. 1).
Рис. 1. Вольтамперная характеристика стабилитрона с пробоем Зенера
В отличие от лавинного пробоя, при котором электроны находятся в валентной зоне, пробой Зенера представляет собой квантовое явление. Он связан с туннельным эффектом, при котором электроны из p-области проникают в n-область через потенциальный барьер в непосредственной близости от p-n-перехода. Лавинный пробой возникает при возрастании кинетической энергии электрона до величины, при которой он при столкновении с атомом способен выбить электрон из валентной зоны.
При напряжении пробоя менее 4,5 В преобладает пробой Зенера, а лавинный пробой возникает при напряжении выше 6,7 В. В интервале 4,5–6,7 В могут одновременно возникать оба типа пробоя. Приведённые значения напряжений могут немного меняться в зависимости от технологии изготовления стабилитрона. Важно отметить, что при пробое Зенера температурный коэффициент напряжения (ТКН) отрицательный: с ростом температуры напряжение пробоя уменьшается. При лавинном пробое ситуация обратная: ТКН положительный.
Классификация и маркировка стабилитронов
По назначению стабилитроны разделяются на три группы:
- универсальные, общего назначения;
- прецизионные;
- быстродействующие.
Прецизионные стабилитроны характеризуются высокой точностью, разброс напряжения стабилизации в разных образцах не превышает сотых долей процента. Они термокомпенсированны, поэтому у них низкий температурный дрейф. Быстродействующие стабилитроны имеют низкое значение барьерной ёмкости, не превышающее нескольких десятков пикофарад, и способны ограничивать всплески напряжения. Стабилитроны общего назначения экономичны, но не отличаются выдающимися параметрами.
К сожалению, не существует единого стандарта маркировки стабилитронов. В наиболее простом случае на поверхности стабилитрона пишут напряжения стабилизации, при этом буква V используется в качестве запятой. Иногда производитель прибегает к собственному способу обозначения, который расшифровывает в своей документации. Часто стабилитрон маркируется цветными кольцами по японскому правилу JIS-C-7012 (рис. 2) или американскому правилу JEDEC (рис.3).
Рис. 2. Маркировка цветными кольцами по японскому правилу JIS-C-7012
Рис. 3. Маркировка цветными кольцами по американскому правилу JEDEC
Параметры и применение стабилитронов
Рис. 4. Вольтамперная характеристика стабилитрона с расчетными параметрами
Основные параметры стабилитрона, необходимые для расчета, показаны на графике вольтамперной характеристики (рис. 4). В скобках указаны обозначения в документации зарубежных производителей:
- минимальное напряжение стабилизации VCTMIN (VBR);
- максимальное напряжение стабилизацииVCTMAX (VZM):
- номинальное напряжение стабилизации VCTNOM (VZ);
- номинальный ток стабилизации ICTNOM (IZ);
- минимальный ток стабилизации ICTMIN (IZK);
- максимальный ток стабилизации ICTMAX (IZM).
Рис. 5. Стабилизатор напряжения с параллельным подключением нагрузки к стабилитрону
Обычно стабилитрон используется в схемах стабилизации или ограничения напряжения. Рассмотрим оба варианта. На рис. 5 показана простейшая схема применения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения. Нагрузка подключается параллельно стабилитрону. Расчёт балластного резистора проводится по формуле:
RБ = (VВХ – VСТ)/(IСТ + IН). (1)
Расчет выполняется для случаев максимального и минимального входного напряжения и тока нагрузки, при этом во всех вариантах для выбранного стабилитрона должно выполняться соотношение:
ICTMIN < IСТ < ICTMAX. (2)
Проверить выполнение соотношения (2) можно следующим образом. После определения величины сопротивления RБ из (1) вычисляем суммарный ток I по формуле:
I = (VВХ – VСТ)/ RБ. (3)
Затем определяем ток стабилитрона:
IСТ = I – IН. (4)
И проверяем выполнение неравенства (2).
Как видно из вольтамперной характеристики стабилитрона (рис. 4), напряжение стабилизации зависит от тока стабилитрона. При изменении нагрузки в рассмотренной схеме изменится ток стабилитрона, а следовательно, и напряжение стабилизации. Другими словами, нагрузочная регулировочная характеристика рассмотренной схемы может достигнуть значительной величины.
Если такое положение дел не устраивает или если не выполняется условие (2), следует использовать схему параметрического стабилизатора с усилителем тока (эмиттерный повторитель), показанную на рис. 6. В ней проходной транзистор «отрезает» стабилитрон от нагрузки. Можно сказать, что эта схема является значительно упрощённым вариантом интегрального линейного регулятора напряжения (LDO), в котором вместо стабилитрона используется источник опорного напряжения, задаваемого шириной запрещённой зоны (bandgap).
Рис. 6. Стабилизатор напряжения с проходным транзистором
Может возникнуть вопрос, зачем в таком случае городить огород, не проще ли взять готовую микросхему линейного стабилизатора? Дело в том, что далеко не всегда возможен выбор между этими двумя решениями. Вряд ли удастся найти микросхему LDO с входным напряжением более 30–36 В. А в схеме на рис. 6 максимальное входное напряжение определяется только выбором проходного транзистора, следовательно, может составлять сотни вольт. К тому же цепи с питанием десятки или даже сотни вольт, как правило, не требуют высокой точности поддержания напряжения и ослабления шумов и пульсаций, поэтому использование упрощённой схемы некритично.
Рис. 7. Схемы ограничения напряжения с использованием стабилитрона
Другую возможность стабилитрона – ограничение напряжения – иллюстрирует рис. 7. В верхней части рисунка показана схема однополярного ограничения синусоидального напряжения, а в нижней части – двухполярного. Вряд ли обе схемы нуждаются в пояснении. Только напомним, что напряжение 0,7 В при однополярном ограничении соответствует прямому падению напряжения на диоде, каковым и является стабилитрон при работе в I квадранте.
В заключение упомянем стабистор, который стабилизирует напряжение не более 3 В. Он представляет собой диод с сильно легированным p-n-переходом, он работает в прямом направлении и способен стабилизировать напряжение в диапазоне 0,7–3 В. Стабилитрон не может работать в таком диапазоне из-за того, что при таких напряжениях невозможно добиться ни туннельного, ни лавинного пробоя.