Стабилитрон: принцип работы, маркировка, обозначение, параметры, свойства

Что такое стабилитрон

Практически ни один стабилизатор напряжения не обходится без этого полупроводника. По внешнему виду его легко спутать с диодом. Узнавать, какой из элементов стабилизирует разность потенциалов, можно по маркировке. Диод Зенера (стабилитрон) имеет высокое сопротивление, до тех пор, пока не наступает пробой. Поданное обратное смещение вызывает пробой перехода, и ток начинает быстро увеличиваться, а сопротивление уменьшается в интервале от сотен Ом до его дольных величин. Такой режим работы даёт возможность с определённой точностью поддерживать неизменное значение напряжения на элементе.

Главная задача полупроводника – выполнять стабилизацию напряжения. Выпускают в серию детали, рассчитанные на поддержание от 1,8-400 В. Включение радиодетали в схему выполняется параллельно нагрузке.

Условное графическое обозначение элемента

Внимание! Двухполюсник имеет выводы: катод и анод. Если рассматривать область p-n перехода, то вывод, подключенный к p-области, это анод, а к n-области – это катод.

Полупроводниковые элементы, которые составлены из двух встречно направленных стабилитронов, называют двусторонними (двуханодными).

Двусторонний стабилитрон

Классификация этих двухполюсников по функциональному назначению выглядит следующим образом:

• детали общего применения (дискретные), по мощности: 0-0,3; 0,3-5; 5-10 Вт и выше;
• прецизионные элементы, имеющие в своей структуре сложную микросхему (скрытая структура);
• ограничительные стабилитроны, предназначенные для подавителей помех.

Последние предназначены для кратковременного пропускания импульсного тока величиной до сотни ампер. Длительная работа с большими токами вызывает перегрев детали и тепловой пробой.

Внимание! Кремниевый диод (стабилитрон), включенный в схему в обратном направлении, имеет три варианта пробоя: туннельный, лавинный и вызванный тепловой неустойчивостью. Их конструкция подразумевает наступление первых двух пробоев до того, как произойдёт тепловое разрушение перехода.

Схема включения и вольт-амперная характеристика (ВАХ) Zener diode

Разновидности стабилизаторов 12 вольт

В зависимости от конструкции и способа поддержания 12-ти вольтного напряжения выделяют две разновидности стабилизаторов:

• Импульсные – стабилизаторы, состоящие из интегратора (аккумулятора, электролитического конденсатора большой емкости) и ключа (транзистора). Поддержание напряжения в заданном интервале значений происходит благодаря циклическому процессу накопления и быстрой отдачи заряда интегратором при открытом состоянии ключа. По конструктивным особенностям и способу управления такие стабилизаторы подразделяются на ключевые устройства с триггером Шмитта, выравниватели с широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляцией.
• Линейные – стабилизирующие напряжение устройства, в которых в качестве регулирующего устройства применяются подключаемые последовательно стабилитроны или специальные микросхемы.

Импульсный

Линейный

Наиболее распространены и популярны среди автолюбителей линейные устройства, отличающиеся простотой самостоятельной сборки, надежностью и долговечностью. Импульсный вид используется значительно реже из-за дороговизны деталей и сложностей самостоятельного изготовления и ремонта.

Интегральный стабилизатор

Устройства собирают с использованием небольших по размерам микросхем, способных работать при входном напряжении до 26-30 В, выдавая постоянный 12-ти вольтный ток силой до 1 Ампер. Особенностью данных радиодеталей является наличие 3 ножек – «вход», «выход» и «регулировка». Последняя используется для подключения регулировочного резистора, который используется для настройки микросхемы и предотвращения ее перегрузок.

Более удобные и надежные, собранные на основе стабилизирующих микросхем выравниватели постепенно вытесняют собранные на дискретных элементах аналоги.

Классическая модель

Классические стабилизаторы – это большой класс устройств, собираемых на основе таких полупроводниковых деталей, как биполярные транзисторы и стабилитроны. Среди них основную функцию по поддержанию напряжения на уровне 12 В выполняют стабилитроны – разновидность диодов, подключаемых в обратной полярности (к катоду такого полупроводникового прибора подключается плюс источника питания, к аноду – минус), работающих в режиме пробоя. Суть работы данных полупроводниковых деталей заключается в следующем:

• При напряжении подключенного к стабилитрону источника питания меньше 12 В он находится в закрытом положении и не участвует в регулировке данной характеристики электрического тока.
• При превышении порога в 12 Вольт стабилитрон «открывается» и поддерживает данное значение в заданном его характеристиками диапазоне.

В зависимости от подключения различают два варианта классического стабилизатора: линейный – регулировочные элементы подключаются последовательно нагрузке; параллельный – стабилизирующие напряжение устройства располагаются параллельно запитываемым приборам.

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.

Характеристики диода Зенера

Стабилитроны имеют следующие типичные характеристики. Vz – напряжение стабилизации. В документации указываются два значения для этого параметра: максимальное и минимальное значение напряжения стабилизации. Iz – минимальный ток стабилизации. Zz – сопротивление стабилитрона. Izk и Zzk– ток и динамическое сопротивление при постоянном токе. Ir и Vr — максимальный ток утечки и напряжение при заданной температуре. Tc — температурный коэффициент. Izrm — максимальный ток стабилизации стабилитрона.

Стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений (опорных напряжений) в стабилизаторах на транзисторах. Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают и в прямом направлении, как обычные диоды, тогда напряжение стабилизации одного стабилитрона будет равно 0,7 – 0,8 вольт.

Максимальная рассеиваемая корпусом стабилитрона мощность, обычно лежит в диапазоне от 0,125 до 1 ватта. Этого, как правило, достаточно для нормальной работы цепей защиты от импульсных помех и для построения маломощных стабилизаторов.

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-).  Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся. Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа  радиоэлектронной аппаратуры.  Если оно изменится в меньшую,  или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура  в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем. Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать “играющее” напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так: Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод, а другой вывод – анод. Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева  популярный вид современного стабилитрона, а справа один из  образцов Советского Союза. Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно  увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится  катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона – это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр? Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой. Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это  понятно и дошкольнику. Теперь  по аналогии с электроникой. Стакан – это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане – это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом  большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один – лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине.

Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники – кувшин обладает “напряжением” больше, чем “напряжение” стакана. Так  вот, дорогие читатели,  в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит,  напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации 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

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:

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так.

где:

• Iпр– прямой ток, А
• Uпр – прямое напряжение, В
• Эти два параметра в стабилитроне не используются
• Uобр– обратное напряжение, В
• Uст– номинальное напряжение стабилизации, В
• Iст – номинальный ток стабилизации, А
• Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.
• Imax– максимальный ток стабилитрона, А
• Imin– минимальный ток стабилитрона, А
• Iст, Imax, Imin– это  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником. Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Порядок проверки

Проверку производят обычным тестером, переключив прибор в диапазон для измерений диодов или сопротивления.

Подключение мультиметра для проверки Как проверить резистор мультиметром

Поэлементное описание проверки имеет вид:

• на приборе выбирается режим измерения сопротивления;
• щупы тестера подключаются к выводам детали;
• оцениваются показания прибора, высвечиваемые на дисплее.

Когда собственный источник питания мультиметра подключен плюсовым щупом к аноду, то на дисплее можно зафиксировать показания сопротивления от нескольких долей Ома до его единиц. После замены местами измерительных щупов при исправном элементе получают бесконечно большое сопротивление.

Помня о том, что стабилитрон ведёт себя, как простой диод, устанавливают интервал измерений в кОм. В этом случае сопротивление исправной радиодетали доходит до сотен кОм.

Информация. Показания, выданные на дисплей тестером, часто вводят в заблуждение проводящего измерения. Одинаково высокое сопротивление при различных подключениях щупов не всегда означает пробой элемента. Поданное для измерений напряжение внутреннего источника может превысить номинальное напряжения пробоя, тогда полученные результаты будут ложными.

Как проверить стабилитрон мультиметром на плате

Как проверить емкость аккумулятора мультиметром

Когда нет возможности освободить оба вывода элемента для измерений, как проверить стабилитроны? Желательно выпаять хотя бы одну из ножек (выводов) полупроводникового прибора. Таким образом разорвать цепь схемы на плате, куда впаян полупроводник. Это позволит избежать искажение показаний при измерениях. Неточность может возникнуть от влияния других элементов, входящих в схему. Кроме того, нужно обесточить плату, на которой находится проверяемый элемент.

Можно ли проверить деталь, не выпаивая

Стабилитрон TL431

Выпаивать полупроводниковую деталь не всегда удобно, особенно, если платы имеют двухсторонний монтаж схемы. Проверка стабилитронов мультиметром без демонтажа вполне возможна. Если показания измерительного прибора не определяют повреждения, то их можно считать реальными. При результатах, показывающих обрыв, можно быть уверенными, что это тоже факт. Но, когда измерения регистрируют пробой – низкое сопротивление при любой полярности подключения щупов, то это не всегда так. В этом случае деталь нужно выпаивать.

Осторожно. Измерения тестером с внутренним напряжением, большим напряжения пробоя стабилитрона, может привести к реальному пробою. Для проверки таких элементов удобно пользоваться стрелочными аналоговыми приборами. Напряжение питания у них – не более 3 В.

Аналоговый стрелочный тестер

Как проверить двусторонний стабилитрон

Бывает, что после выпаивания из платы полупроводникового элемента, при изменении полярности на щупах, сопротивление оказывается большим в обоих случаях. Это не обязательно говорит об обрыве. Проверяемый компонент схемы может быть двусторонним стабилитроном. Как проверить стабилитрон мультиметром?

Чтобы протестировать его работоспособность, нужно:

• увеличить прилагаемое напряжение измерения;
• менять полярность, подаваемую щупами тестера на выводы;
• измерять токи и сравнивать ВАХ исследуемой детали.

Совокупность действий поможет определить, исправен или нет такой зенер диод. Зная о том, что в такой радиодетали катоды внутри соединены между собой, необходимо собрать схему.

В схему входят следующие компоненты:

• тестер;
• резистор сопротивлением 1 кОм (R);
• ИП до 30 вольт.

Для измерения все вместе соединяется в схему:

• подключают резистор к « + » источника питания;
• стабилитрон присоединяют на второй контакт резистора;
• щуп тестера подсоединяют с свободному выводу R и клемме « — » ИП;
• прибор включается в разрыв: « + » ИП и « — » ИП;
• на приборе выбирается наиболее подходящий режим.

При проверке зинер диода с напряжением стабилизации схема будет рабочей, если, изменяя Uпит в границах 13-30 В, на дисплее прибора сохраняется в пределах 12 В, даже при смене полярности.

Важно! Никакой измерительный прибор не может гарантировать, что полученные результаты действительно верны. Для проверки нужно включить в схему полупроводник, подать питание и провести измерения, которые выявляют неисправную деталь.

Основные неисправности стабилитрона

Работоспособность детали, расположенной в блоках аппаратуры, можно выявить, зная основные неисправности. К ним можно отнести следующие повреждения или отклонения от нормы:

• пробой перехода;
• обрыв;
• неправильное напряжение;
• неточный ток.

Если первые два пункта вопросов не вызывают, то вторые две позиции относятся к неявным повреждениям.

Внимание! Когда измеренное мультиметром на диоде зенера падение напряжения в прямом направлении совпадает с заявленным значением, это означает, что элемент исправен.

При проверке стабилитрона подключают плюсовой щуп к аноду, а отрицательный – к катоду. В режиме проверки диодов на экране отобразится величина падения напряжения на тестируемом элементе. При переполюсовке щупов на дисплее не будет значений, высветится «1».

При пробое перехода при прямом и обратном прикасании измерительных щупов на дисплее тестера будут высвечиваться цифры. Когда в режиме проверки диода на тестере присутствует звуковое оповещение (пищалка), то оно сработает.

При обрыве перехода измерения ничего не покажут при любом прикладывании щупов тестера. В этом случае даже без выпаивания стабилитрона из платы можно определить его неисправность.

Неправильное напряжение стабилизации определяется только при включении питания схемы. В режиме вольтметра щупами касаются выводов детали и измеряют параметр. В случае отклонения от необходимой величины стабилитрон заменяется.

При определении исправности элемента с напряжением стабилизации до 20-30 В пользуются простым методом. Для этого нужно собрать небольшую макетную модель для испытаний, в неё входят:

• панель для закрепления микросхем (любая);
• ограничивающий резистор сопротивлением 4,7 кОм, мощностью до 0,25 Вт;
• источник питания: подойдёт блок питания от ноутбука, в идеале – источник с регулировкой выходного напряжения.

Панель от микросхемы поможет закреплять в её пазах любой проверяемый элемент.

Осторожно. При подключении в схему проверяемого полупроводника подключают «плюс» к катоду, «минус» – к аноду. Неправильное включение выведет испытуемую деталь из строя.

Схема для проверки напряжения стабилизации

Стабилизация напряжения с использованием стабилитронов – успешное решение в электронных схемах. Правильное тестирование стабилитрона с помощью мультиметра поможет определить неисправную деталь и сберечь схему от повреждения.

Как самому сделать стабилитрон на любое напряжение

Стабилитрон очень просто изготовить из набора любых выпрямительных диодов, включенных последовательно.

Возьмем самый распространенный марки 1N4007.

Проверяем на напряжение стабилизации (падения).

В итоге получаем значение — 0,69 В. По сути это уже готовый стабилитрон на низкое напряжение.

Получается, если включить последовательно 8 диодов, то общее напряжение стабилизации может быть примерно равно 5 В, что собственно говоря и нужно.

Длинные вывода диодов откусываем и спаиваем их в единую цепь, анод к катоду.

Надеваем термоусадочную трубку, обдуваем феном или пламенем зажигалки. Обязательно, не забываем обозначить катод полоской от маркера.

Стабилитрон готов к работе.

Напряжение стабилизации в итоге получилось 5,3 В. В большинстве случаев это отклонение будет некритичным. Ну а если нужно старого точно, то придется поподбирать детали с другими параметрами.

Заключение

Как видим, существует много разных маркировок и обозначений для стабилитрона, о которых нужно помнить при его выборе для домашней лаборатории и изготовления своими руками различных электротехнических приборов. Если хорошо владеть этим вопросом, то это залог правильного выбора.

Помогла ли вам статья?