Диод Зенера (очень часто также используется термин стабилитрон) – это особый тип выпрямительного диода, который может выдерживать пробой (благодаря так называемому обратному напряжению пробоя) без полного выхода из строя. Здесь мы обсудим концепцию использования диодов для регулирования падения напряжения и то, как стабилитрон работает в режиме обратного включения для регулирования напряжения в цепи.
Как диоды регулируют падение напряжения
Если мы подключим диод и резистор последовательно с источником постоянного напряжения так, чтобы диод был включён в прямом направлении, падение напряжения на диоде будет оставаться довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке 1.a ниже.
Ток через включённый в прямом направлении P-N-переход пропорционален постоянной Эйлера e (≈ 2,71828…), возведённой в степень, равной мощности прямого падения напряжения. Поскольку это экспоненциальная функция, ток растёт довольно быстро при небольшом увеличении падения напряжения.
На это можно посмотреть с другого ракурса – напряжение, падающее на диоде с прямым включением, мало изменяется при больших изменениях тока диода. В схеме, показанной на рисунке 1.а ниже, ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от 0,7 вольт.
Рис. 1. Кремниевые «звенья» с прямым включением: (а) одиночный диод, 0,7 В, (б) 10 последовательно соединённых диодов, всего 7,0 В.
Если увеличить напряжение источника питания, падение напряжения на резисторе увеличилось бы почти на такую же величину, а напряжение диода упало бы совсем немного. И наоборот, уменьшение напряжения источника питания привело бы к почти одинаковому уменьшению падения напряжения на резисторе с небольшим уменьшением падения напряжения на диодах.
Одним словом, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав, что диод регулирует падение напряжения примерно на 0,7 вольт.
Использование стабилизации напряжения
Регулировка (стабилизация) напряжения – это полезное свойство диодов. Предположим, мы строим какую-то схему, которая не может выдерживать колебаний напряжения источника питания, но должна питаться от химической батареи, напряжение которой изменяется в течение срока её службы. Мы могли бы сформировать схему, как показано выше, и подключить схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он будет получать неизменные 0,7 вольт.
Это, безусловно, сработает, но для правильной работы большинства практичных схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0,7 В. Одним из способов увеличения точки стабилизации напряжения было бы последовательное соединение нескольких диодов, чтобы их индивидуальные прямые падения напряжения по 0,7 вольта на каждом складывались в большую сумму.
Например, в нашем примере выше (рисунок 1.б), если бы у нас было десять последовательно соединённых диодов, регулируемое напряжение было бы больше в десять раз, чем 0,7 т.е. всего 7 вольт.
До тех пор, пока напряжение батареи не опускается ниже 7 вольт, на «стеке» из десяти диодов всегда будет падение около 7 вольт.
Как стабилитроны регулируют напряжение
Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы либо использовать больше диодов, включённых последовательно (на мой взгляд, это неэлегантный вариант), либо попробовать принципиально другой подход.
Мы знаем, что прямое напряжение на диоде является довольно постоянной величиной в широком диапазоне условий, равно как и обратное напряжение пробоя. Напряжение пробоя обычно намного больше прямого напряжения.
Если бы мы поменяли полярность диода в нашей схеме однодиодного стабилизатора и увеличили напряжение источника питания до точки, где диод «ломается» (то есть, он больше не может выдерживать напряжение обратного включения, приложенное к нему), диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя напряжению расти дальше:
Рис. 2. (а) Кремниевый слаботочный диод с обратным включением выходит из строя при напряжении около 100 В. (б) Символ стабилитрона на схемах.
К сожалению, когда обычные выпрямительные диоды «выходят из строя», это их обычно разрушает. Однако можно создать диод особого типа, который выдержит пробой без полного выхода из строя. Этот тип диода называется стабилитроном, и его схематическое обозначение показано на рисунке 1.б выше.
При прямом включении стабилитроны ведут себя примерно так же, как стандартные выпрямительные диоды: у них есть прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0,7 вольт. В режиме обратного включения они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение Зенера, после чего диод сможет проводить значительный ток, и при этом будет пытаться ограничить падение напряжения на нём до этого значения напряжения Зенера.
Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током, не превышает тепловые пределы диода, диод не будет повреждён. По этой причине стабилитроны иногда называют «пробойными диодами».
Схема стабилитрона
Стабилитроны производятся с напряжением Зенера от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение Зенера незначительно зависит от температуры, и, как и обычные значения резисторов из углеродного состава, может иметь погрешность от 5 до 10 процентов в соответствии со спецификациями производителя. Однако этой стабильности и точности обычно достаточно для использования стабилитрона в качестве устройства регулятора напряжения в общей цепи питания:
Рис. 3. Схема стабилизатора на стабилитроне, напряжение Зенера = 12,6 В.
Работа стабилитрона
Обратите внимание на то, как ориентирован стабилитрон в приведённой схеме: диод включён в обратном направлении, и это сделано намеренно. Если бы мы сориентировали диод «нормально», чтобы он был прямо включён, он бы не перенёс бы и превышения всего на 0,7 В, как и обычный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать свойства обратного пробоя этого диода, мы должны использовать его в режиме обратного включения. Пока напряжение источника питания остаётся выше напряжения стабилитрона (в данном примере 12,6 вольт), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.
Как и всякий полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Чрезмерная температура разрушит стабилитрон, и, поскольку он снижает напряжение и проводит ток, он производит собственное тепло в соответствии с законом Джоуля (P = IE). Следовательно, нужно быть осторожным при проектировании схемы регулятора таким образом, чтобы не превышалась мощность рассеиваемой мощности диода. Интересно, что, когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, они обычно закорачиваются, а не размыкаются. Диод, вышедший из строя таким образом, легко обнаруживается: падение напряжения на нём в любую сторону практически нулевое, как на проводе.
Математический анализ схемы, регулируемой стабилитроном
Давайте рассмотрим схему стабилизации стабилитрона с ракурса математики, определив все напряжения, токи и рассеиваемую мощность. Возьмём предыдущую цепь и выполним вычисления, предполагая напряжение стабилитрона 12,6 вольт, напряжение питания 45 вольта, а значение последовательного резистора 1000 Ом (мы будем рассматривать напряжение стабилитрона равное точно 12,6 вольт, чтобы избежать необходимости квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке 4.а ниже).
Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, на резисторе будет падать 32,4 вольта (45 вольт - 12,6 вольт = 32,4 вольт). Падение 32,4 В на сопротивлении 1000 Ом даёт 32,4 мА тока в цепи:
Рис. 4. (a) Стабилизатор напряжения Зенера с резистором 1000 Ом. (б) Расчёт падений напряжения и тока.
Мощность рассчитывается путём умножения силы тока на напряжение (P = IE), поэтому мы можем довольно легко рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона:
Видим, что вполне подойдет стабилитрон с номинальной мощностью 0,5 Вт, а также резистор с мощностью рассеяния 1,5 или 2 Вт.
Схема на стабилитроне с более высоким сопротивлением
Если чрезмерное рассеивание мощности вредно, то почему бы не спроектировать схему с наименьшим возможным рассеиванием? Почему бы просто не рассчитать резистор для очень высокого значения сопротивления, тем самым резко ограничив ток и сохранив очень низкие показатели рассеиваемой мощности? Возьмём, например, эту же схему с резистором 100 кОм вместо резистора 1 кОм. Обратите внимание, что как напряжение источника питания, так и напряжение стабилитрона диода на рисунке ниже идентичны предыдущему примеру:
Рис. 5. Стабилизатор на стабилитроне с резистором 100 кОм.
При токе, составляющем всего 1/100 от того, что было раньше (324 мкА вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше.
Кажется идеальным решением, ведь так? Меньшее рассеивание мощности означает более низкие рабочие температуры как диода, так и резистора, а также меньше потерь энергии в системе, верно? Более высокое значение сопротивления действительно снижает уровень рассеиваемой мощности в цепи, но, к сожалению, создаёт другую проблему. Помните, что цель регулирующей цепи – обеспечить стабильное напряжение для другой цепи. Другими словами, мы в конечном итоге собираемся запитать что-то с напряжением 12,6 вольт, и это что-то будет иметь собственное потребление тока.
Учёт падающего резистора с меньшим значением
Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону, как показано на рисунке ниже.
Рис. 6. Стабилизатор на стабилитроне с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.
Если на нагрузке 500 Ом поддерживается 12,6 В, нагрузка потребляет ток 25,2 мА. Чтобы «падающий» резистор с сопротивлением 1 кОм упал на 32,4 В (уменьшив напряжение источника питания с 45 В до 12,6 на стабилитроне), он всё равно должен проводить ток силой 32,4 мА. Это оставляет 7,2 мА силы тока, проходящего через стабилитрон.
Резистор, понижающий более высокое значение напряжения
Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с понижающим резистором 100 кОм, которая передаёт мощность на ту же нагрузку 500 Ом. Что он должен делать, так это поддерживать 12,6 вольт на нагрузке, как и в предыдущей цепи. Однако, как мы увидим, с этой задачей он не справляется:
Рис. 7. Нерегуляторный стабилитрон с последовательным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом.
При большем значении понижающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения при нагрузке 500 Ом, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему так? Если бы у нас действительно было 12,6 В на нагрузке, она потребляла бы тока 25,2 мА, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был пройти через последовательный понижающий резистор, как это было раньше, но с новым (гораздо большим!) понижающим резистором, на месте падение напряжения на этом резисторе при токе 25,2 мА, проходящем через него, составит 2520 вольт! Поскольку у нас, очевидно, не так много напряжения, обеспечиваемого батареей, этого произойти не может.
Анализ более высокого сопротивления падению напряжения без стабилитрона
Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов:
Рис. 8. Нерегулятор с удалённым из схемы стабилитроном.
И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом включены последовательно друг с другом, что даёт общее сопротивление цепи 100,5 кОм. При общем напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм закон Ома (I = E/R) говорит нам, что сила тока будет равна 447,76 мкА. Рассчитав падение напряжения на обоих резисторах (E = IR), мы получаем соответственно 44,776 В и 224 мВ.
Если бы мы вернули стабилитрон в этот момент, он также «увидел бы» 224 мВ, параллельно сопротивлению нагрузки. Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона, поэтому он не «пробивается» и не проводит ток. Кстати, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он будет включён в прямом направлении! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. Чтобы «активировать» его, необходимо падение напряжения минимум 12,6 вольт.
Аналитический метод с удалением стабилитрона из схемы и проверки наличия достаточного напряжения, чтобы заставить его проводить, показывает верность наших предположений. Тот факт, что стабилитрон включён в цепь, не гарантирует, что на нём всегда будет падать полное напряжение Зенера! Помните, что стабилитроны работают, ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не восполняют недостаток напряжения.
Правило в работе стабилитрона
Таким образом, любая схема стабилизации с диодом Зенера будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно или больше некоторого минимального значения. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, будет слишком большое падение напряжения на последовательном понижающем резисторе, оставляя недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы заставить его проводить. Когда стабилитрон перестаёт проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадёт ниже точки регулирования.
Расчёт оптимального сопротивления нагрузки
Однако наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть подходящей для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это приемлемое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчёта сопротивления в последовательной цепи с двумя резисторами (без диода), вставив известные значения общего напряжения и сопротивления падающего резистора и рассчитав при ожидаемом напряжение нагрузки 12,6 В:
Рис. 9. Начальная таблица, вставлены известные значения.
При общем напряжении 45 вольт и 12,6 вольт на нагрузке у нас должно быть 32,4 вольт на RПонижающ.:
Рис. 10. Находим напряжение на понижающем резисторе.
При 32,4 В на понижающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:
Рис. 11. По закону Ома находим силу тока, проходящего через понижающий резистор.
Поскольку это последовательная цепь, ток одинаков для всех компонентов цепи в любой момент времени:
Рис. 12. Правило последовательной цепи позволяет проставить то же значение силы тока и для остальных элементов.
Теперь просто дело за законом Ома (R = E/I), чтобы рассчитать сопротивление нагрузки. Это даёт нам 38,889 кОм:
Рис. 13. По закону Ома находим оптимальное сопротивление нагрузки.
Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38,889 кОм, на нём будет 12,6 вольт, с диодом или без него. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведёт к напряжению нагрузки менее 12,6 В, с диодом или без него. Вместе с диодом напряжение нагрузки будет регулироваться максимум до 12,6 В для любого сопротивления нагрузки выше 38,889 кОм.
При исходном значении понижающего резистора 1 кОм наша стабилизирующая схема смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки всего 500 Ом. Мы видим компромисс между рассеиваемой мощностью и допустимым сопротивлением нагрузки. Понижающий резистор большего номинала даст нам меньше рассеиваемой мощности за счёт повышения допустимого минимального значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для низких сопротивлений нагрузки, схема должна быть подготовлена к более высокому рассеиванию мощности.
Как стабилитрон регулирует напряжение
Стабилитроны регулируют напряжение, выступая в качестве дополнительных нагрузок, потребляя больше или меньше тока по мере необходимости, чтобы гарантировать постоянное падение напряжения на нагрузке. Это аналогично регулированию скорости автомобиля за счёт торможения, а не путем изменения положения дроссельной заслонки, что было бы расточительно. Но и тормоза должны быть сконструированы так, чтобы справляться со всей мощностью двигателя, даже когда условия движения этого не требуют.
Несмотря на данную фундаментальную неэффективность конструкции, регулирующие схемы на стабилитронах широко используются из-за их абсолютной простоты. В приложениях с большой мощностью, где неэффективность недопустима, применяются другие методы регулирования напряжения. Но даже в этом случае небольшие схемы на основе стабилитронов часто используются для обеспечения «эталонного» напряжения для управления более эффективной схемой усилителя, управляющей основной мощностью.
Напряжение на обычных стабилитронах
Стабилитроны производятся со стандартными номинальными напряжениями, указанными в таблице ниже. В таблице «Основные напряжения стабилитронов» приведены общие напряжения для компонентов мощностью 0,3 Вт и 1,3 Вт. Мощность соответствует размеру кристалла и корпуса и представляет собой мощность, которую диод может рассеять без ущерба для себя.
Основные напряжения стабилитронов
0,5 Вт
2,7 В
3,0 В
3,3 В
3,6 В
3,9 В
4,3 В
4,7 В
5,1 В
5,6 В
6,2 В
6,8 В
7,5 В
8,2 В
9,1 В
10 В
11 В
12 В
13 В
15 В
16 В
18 В
20 В
24 В
27 В
30 В
1,3 Вт
4,7 В
5,1 В
5,6 В
6,2 В
7,5 В
8,2 В
9,1 В
10 В
11 В
12 В
13 В
15 В
16 В
18 В
20 В
22 В
24 В
27 В
30 В
33 В
36 В
39 В
43 В
47 В
51 В
56 В
62 В
68 В
75 В
100 В
200 В
Ограничитель напряжения на стабилитроне
Ограничитель напряжения на стабилитроне – это схема-ограничитель, которая фиксирует пики волны приблизительно при напряжении стабилизации диодов Зенера. В схеме на рисунке ниже два стабилитрона соединены последовательно друг с другом, что симметрично ограничивает волну почти при напряжении стабилизации. Резистор ограничивает ток, потребляемый стабилитронами, до безопасного значения.
Рис. 14. Два последовательных встречно ориентированных стабилитрона симметрично ограничивает волну почти при напряжении стабилизации.
Напряжение пробоя стабилитрона для диодов устанавливается равным 10 В указанием параметра модели диода «bv = 10» в списке соединений SPICE, приведённом выше. Это приводит к тому, что стабилитроны ограничивают напряжение при значении около 10 В. Встречно ориентированные диоды отсекают оба пика. В течение положительного полупериода верхний стабилитрон включён в обратном направлении, пробой происходит при напряжении стабилитрона 10 В. Нижний стабилитрон падает примерно на 0,7 В, поскольку он включён в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечения составляет 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогичное отрицательное ограничение полупериода происходит при -10,7 В, что показывает уровень отсечки чуть более ± 10 В.
Рис. 15. Ограничитель на стабилитроне: входной сигнал V(1) ограничивается до V(2).
Итог
Стабилитроны, предназначенные для работы в режиме обратного включения, обеспечивают относительно низкий стабильный уровень пробоя (т.н. напряжение стабилизации, при которых диоды Зенера начинают проводить значительный обратный ток).
Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, действуя как дополнительная нагрузка, потребляя больше тока от источника, если напряжение слишком высокое, и меньше, если оно слишком низкое.
