Стабилитрон — газоразрядный стабилизатор напряжения¶
Стабилитрон — это полупроводниковый (преимущественно кремниевый) диод, работающий в режиме обратного пробоя и используемый для стабилизации напряжения в электронных схемах. В отличие от обычного выпрямительного диода, стабилитрон намеренно эксплуатируется в области обратного пробоя, где его вольт-амперная характеристика имеет участок с резким изменением тока при почти неизменном напряжении. Это свойство позволяет использовать прибор в качестве эталона напряжения: при изменении тока через стабилитрон (в пределах рабочего диапазона) падение напряжения на нём остаётся практически постоянным.
¶Принцип работы
Обратный пробой в p-n-переходе бывает двух типов:
- Туннельный (зенеровский) пробой — преобладает при напряжениях ниже 5–6 В. Ток обусловлен туннельным переходом электронов через потенциальный барьер.
- Аваланджный пробой — преобладает при напряжениях выше 6–7 В. Носители разгоняются полем и ионизируют атомы кристалла, порождая лавинообразный ток.
Оба механизма дают сходную по форме вольт-амперную характеристику, поэтому термин «стабилитрон» применяется ко всем приборам этого класса независимо от доминирующего механизма пробоя.
Ключевая характеристика — дифференциальное сопротивление на участке пробоя. У качественных стабилитронов оно составляет единицы–десятки ом, что обеспечивает слабую зависимость напряжения от тока. Другой важный параметр — температурный коэффициент напряжения (ТКН): у стабилитронов с напряжением стабилизации ниже ~5 В он отрицательный, выше ~7 В — положительный, около 5–6 В — близок к нулю.
¶Устройство и конструкция
Стабилитроны изготавливают на основе кремниевых p-n-переходов с изменённой легированием областью, обеспечивающей контролируемый пробой. Применяются два основных типа корпусов:
- Герметичные стеклянные или металлические (типа Д814, КС5xx, 1N47xx) — для дискретных схем.
- Микросхемные (прецизионные) — входят в состав интегральных схем опорного напряжения.
В СССР серийно выпускались кремниевые стабилитроны серий Д814 (напряжения стабилизации 7–13 В), Д815, КС5xx (широкий ряд от 2,4 до 200 В) и другие. Импортные аналоги — серии 1N4728–1N4767, BZX, 1SMA59xx.
¶Основные параметры
| Параметр | Обозначение | Описание |
|---|---|---|
| Напряжение стабилизации | Uст | Напряжение на приборе в режиме пробоя при номинальном токе |
| Номинальный ток стабилизации | Iст | Ток, при котором гарантируется Uст |
| Минимальный ток пробоя | Iст(min) | Ниже него характеристика уходит из области стабилизации |
| Дифференциальное сопротивление | Zст | Сопротивление на участке пробоя |
| Максимальная рассеиваемая мощность | Pр | Определяет допустимый ток и теплоотвод |
¶Схемы включения
Наиболее распространённая схема — параметрический стабилизатор: стабилитрон включается последовательно с ограничивающим резистором R и подключается параллельно нагрузке. Резистор ограничивает ток и гасит избыточное напряжение источника. Такая схема проста, дёшева, но низкоэффективна — вся разница между напряжением источника и Uст рассеивается на резисторе и стабилитроне.
Для повышения точности применяют дифференциальный усилитель-сравнитель с включением стабилитрона в цепь базы транзистора (схема «стабилитрон + эмиттерный повторитель»), что позволяет получить опорное напряжение с малым внутренним сопротивлением.
¶Применение
- Опорные напряжения в линейных и импульсных стабилизаторах.
- Защита входов интегральных схем от перенапряжения (клампинг).
- Измерительные приборы — как эталон напряжения в вольтметрах и калибраторах.
- Источники опорного напряжения в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.
- Стабилизация питания в слаботочных узлах радиоаппаратуры.
¶Прецизионные и программируемые аналоги
Для высокоточных применений вместо дискретного стабилитрона используют прецизионные источники опорного напряжения — интегральные схемы на основе бандгапных (запрещённых) источников, например LM4040, REF30xx, TL431. Последний, несмотря на трёхвыводное исполнение, внутренне содержит стабилитрон-подобную структуру и транзисторный усилитель, что позволяет задавать напряжение стабилизации резистивным делителем.
¶Интересные факты
- Термин «стабилитрон» происходит от англ. stabilizing — «стабилизирующий». Название «зенеровский диод» (Zener diode) распространено в англоязычной литературе, хотя Кларенс Зенер формально описал туннельный пробой, а не тот механизм, который доминирует у большинства практических стабилитронов.
- Стабилитроны с напряжением около 5,6 В имеют близкий к нулю ТКН, что делает их предпочтительными в прецизионных схемах без температурной компенсации.
¶Литература
- Справочник по расчёту полупроводниковых схем / под ред. В. П. Визилева. — М.: Радио и связь.
- Дьяконов В. П. Полупроводниковые приборы: справочник. — М.: Горячая линия — Телеком.
- Гуревич С. Г. Справочник по элементам электронной техники.