Диод Зенера или стабилитрон (полупроводниковый стабилитрон) представляет собой особый диод, функционирующий в режиме устойчивого пробоя в условиях обратного смещения p-n перехода. До момента наступления этого пробоя, ток через стабилитрон протекает лишь очень малый, ток утечки, в силу высокого сопротивления запертого стабилитрона.
Но когда наступает пробой, ток мгновенно вырастает, поскольку дифференциальное сопротивление стабилитрона составляет в этот момент от долей до сотен Ом. Таким образом, напряжение на стабилитроне весьма точно поддерживается в определенном диапазоне обратных токов, относительно широком.
Стабилитрон называют диодом Зенера (от англ. Zener diode) в честь ученого, впервые открывшего явление туннельного пробоя, американского физика Кларенса Мэлвина Зенера (1905 — 1993).
Открытый Зенером электрический пробой p-n перехода, связанный с туннельным эффектом, явлением просачивания электронов сквозь тонкий потенциальный барьер, называется теперь эффектом Зенера, который и служит сегодня в полупроводниковых стабилитронах.
Физическая картина эффекта заключается в следующем. При обратном смещении p-n перехода энергетические зоны перекрываются, и электроны могут переходить из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, благодаря электрическому полю, это повышает количество свободных носителей заряда, и обратный ток резко возрастает.
Таким образом, главным назначением стабилитрона является стабилизация напряжения. Промышленностью выпускаются полупроводниковые стабилитроны с напряжениями стабилизации от 1,8 В до 400 В, большой, средней и малой мощности, которые отличаются максимально допустимым обратным током.
На этой базе изготавливают простые стабилизаторы напряжения. На схемах стабилитроны обозначаются символом похожим на символ диода, с тем лишь отличием, что катод стабилитронов изображается в форме буквы «Г».
Стабилитроны скрытой интегральной структуры, с напряжением стабилизации около 7 В — это самые точные и стабильные твердотельные источники опорного напряжения: лучшие их экземпляры характеристически близки к нормальному гальваническому элементу Вестона (эталонный ртутно-кадмиевый гальванический элемент).
К стабилитронам особого типа относятся высоковольтные лавинные диоды («TVS-диоды» и «супрессоры»), которые широко применяются в цепях защиты от перенапряжений всевозможной аппаратуры.
Как видим, стабилитрон, в отличие от обычного диода, работает на обратной ветви ВАХ. В обычном диоде, если к нему приложить обратное напряжение, может возникнуть пробой по одному из трех путей (или по всем сразу): туннельный пробой, пробой лавинный и пробой вследствие теплового разогрева токами утечки.
Тепловой пробой кремниевым стабилитронам не важен, ибо они проектируются так, чтобы или туннельный, или лавинный пробой, либо оба типа пробоя одновременно наступали задолго до тенденции к тепловому пробою. Серийные стабилитроны на данный момент изготавливаются преимущественно из кремния.
Пробой при напряжении ниже 5 В — проявление эффекта Зенера, пробой выше 5 В — проявление лавинного пробоя. Промежуточное напряжение пробоя около 5 В, как правило, является результатом сочетания двух этих эффектов. Напряженность электрического поля в момент пробоя стабилитрона составляет около 30 МВ/м.
Пробой стабилитрона происходит в умеренно легированных полупроводниках р-типа и сильно легированных полупроводниках n-типа. При повышении температуры на стыке уменьшается срыв стабилитрона и вклад лавинного пробоя увеличивается.
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.
Типичные ошибки при использовании стабилитронов:
-
Недостаточный запас по мощности рассеивания (стабилитрон перегревается и выходит из строя).
-
Неправильный выбор рабочей точки: стабилитрон установлен в схеме без ограничивающего резистора, что приводит к превышению максимального тока.
-
Ошибки при монтаже полярности: стабилитрон имеет диодные свойства, обратная установка приведет к неисправности схемы.
-
Применение стабилитрона вне рекомендованного диапазона напряжения и температуры (нарушается стабилизация или возможен пробой).
-
Отсутствие учета паразитных элементов схемы (индуктивность, емкость трасс), снижающих точность стабилизации напряжения.
Советы по монтажу стабилитронов:
-
Всегда используйте ограничивающий резистор для стабилитрона — он защищает от превышения тока и продлевает срок службы.
-
Монтаж производите так, чтобы корпус стабилитрона не перегревался: размещайте его подальше от тепловыделяющих элементов и обеспечьте охлаждение при необходимости.
-
Проверяйте полярность перед установкой — анод (+), катод (–), обычно отмечен полоской.
-
Для поверхностного монтажа выбирайте стабилитроны SMD с повышенным рабочим током и оптимальной температурной характеристикой.
Советы по подбору стабилитрона:
-
Учитывайте напряжение стабилизации — оно должно быть выше рабочего напряжения, но ниже максимально допустимого для защищаемых компонентов.
-
Выбирайте стабилитрон с запасом по мощности рассеивания — минимум 1,5–2 раза выше расчетной в вашей схеме.
-
Для схем с импульсной нагрузкой отдавайте предпочтение стабилитронам с высокой скоростью отклика и низким внутренним сопротивлением.
-
Проверяйте параметры: рабочий ток, пределы допустимого напряжения, температурный диапазон.
Блок часто задаваемых вопросов (FAQ) о стабилитронах
Вопрос 1: Какие бывают типы стабилитронов?
-
Стабилитроны различаются по принципу работы:
-
Стабилитроны с туннельным пробоем: обеспечивают стабилизацию напряжения при низких значениях (до ~5 В), пробой возникает за счет квантово-механического туннелирования.
-
Стабилитроны с лавинным пробоем: действуют при более высоком напряжении (обычно выше 5 В), пробой обусловлен лавинным умножением носителей тока.
-
Стабилитроны для поверхностного монтажа (SMD): компактные, предназначены для автоматической пайки на плате.
-
Мощные стабилитроны: применяются для защиты силовой электроники и промышленных устройств.
-
Импульсные стабилитроны: рассчитаны на работу в быстро меняющихся схемах с пульсирующим напряжением.
-
Вопрос 2: Как выбрать стабилитрон для конкретной схемы?
-
Определите необходимое напряжение стабилизации — оно должно соответствовать требуемому уровню защиты или питания.
-
Рассчитайте требуемую мощность рассеивания — с учетом возможных скачков в схеме, выбирайте элемент с запасом по мощности.
-
Учитывайте рабочий ток стабилитрона — он должен быть не ниже расчетного тока нагрузки.
-
Оцените условия окружающей среды — если схема будет работать в условиях высоких температур, выбирайте стабилитроны с соответствующими температурными характеристиками.
-
Проверьте физические размеры и тип корпуса — важно при монтаже на печатную плату.
Вопрос 3: В чем отличия лавинного и туннельного пробоя?
-
Туннельный пробой возникает при низких напряжениях (до 5 В), связан с квантово-механическим эффектом — туннелированием электронов через потенциальный барьер. Такими стабилитронами стабилизируют низковольтные цепи и прецизионную электронику.
-
Лавинный пробой проявляется при более высоких напряжениях (выше 5 В) — носители тока получают достаточную энергию для создания лавины вторичных носителей, что приводит к резкому увеличению тока. Эти стабилитроны используются для защиты в силовых схемах, автотехнике, промышленной автоматике.
-
Отличие также проявляется в температурной зависимости: у туннельных пробоев сопротивление уменьшается с ростом температуры, а у лавинных увеличивается.
Андрей Повный