Что нужно знать о диоде Зенера?

Диоды Зенера широко используются в электронике для стабилизации напряжения. Они обеспечивают постоянное опорное напряжение в электрической цепи. Однако не все знают, как правильно подобрать и применить эти полезные компоненты.

Что такое диод Зенера и стабилитрон

Диод Зенера - это полупроводниковый диод, предназначенный для работы при обратном включении в режиме лавинного или туннельного пробоя p-n перехода. В этом режиме диод имеет постоянное падение напряжения на себе в широком диапазоне токов. Такой режим называется стабилизацией, а сам диод в этом режиме носит название стабилитрон.

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя для стабилизации напряжения.

В отличие от обычных выпрямительных диодов, стабилитроны специально спроектированы для работы в режиме пробоя. У них оптимизирован профиль легирования p-n перехода для получения стабильных характеристик.

Принцип работы

Принцип работы стабилитрона основан на том, что в режиме пробоя падение напряжения на p-n переходе перестает зависеть от тока в широких пределах. Это происходит благодаря отрицательному дифференциальному сопротивлению в области пробоя.

Когда через диод начинает протекать ток в обратном направлении, напряжение сначала линейно нарастает, пока не достигает напряжения пробоя Упр. Далее рост тока резко ускоряется, а напряжение перестает зависеть от тока и стабилизируется на некотором уровне Устаб.

Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянное напряжение на своих выводах, поглощая избыточную мощность.

Основные параметры

Основными параметрами любого стабилитрона являются:

• номинальное напряжение стабилизации, выбирается в соответствии с требованиями схемотехники устройства;
• диапазон рабочих токов, текущих через стабилитрон (минимальный ток стабилизации — максимальный допустимый ток);
• максимальная рассеиваемая стабилитроном мощность - данный параметр нельзя превышать, чтобы не было разрушения прибора.

По этим трем параметрам можно выбрать подходящий тип стабилитрона для конкретного применения.

Типы диодов Зенера

Существует несколько разновидностей диодов Зенера, отличающихся друг от друга по конструкции и электрическим характеристикам.

По мощности

По максимальной мощности рассеяния диоды Зенера делятся на:

• Маломощные - до 500 мВт. Используются в низковольтных схемах в качестве источников опорного напряжения.
• Средней мощности - до 5 Вт. Применяются в импульсных источниках питания для стабилизации выходного напряжения.
• Мощные - свыше 5 Вт. Используются в силовых преобразователях напряжения.

По напряжению стабилизации

В зависимости от величины стабилизируемого напряжения различают:

• Низковольтные - до 10 В. В основном применяются в цифровых схемах.
• Средневольтные - 10-200 В. Используются в аналоговой аппаратуре, такой как усилители и приемники сигналов.
• Высоковольтные - свыше 200 В. Применяются в высоковольтных блоках питания телевизоров, мониторов.

Двусторонние

Для одновременной стабилизации положительного и отрицательного напряжений используются двухсторонние (двуханодные) стабилитроны. Они представляют собой два диода Зенера, соединенных параллельно друг другу, катод к катоду во встречно-параллельной схеме.

Стабисторы

Стабисторы - это разновидность маломощных кремниевых стабилитронов с дополнительной функцией температурной компенсации. Они компактны и обеспечивают высокую точность стабилизации.

Стабисторы чаще всего используются в качестве термостабилизирующих элементов для компенсации температурного дрейфа других компонентов схемы.

Маркировка и условные обозначения

Чтобы правильно выбрать нужный тип диода Зенера, необходимо разобраться в его маркировке и условных графических обозначениях на схемах.

Расшифровка маркировки отечественных диодов Зенера

Маркировка российских стабилитронов обычно состоит из буквы "К" (кремний), порядкового номера разработки и буквенного кода напряжения стабилизации. Например, КС133А — кремниевый стабилитрон, напряжение стабилизации 3,3 В.

Маркировка импортных диодов Зенера

У зарубежных производителей принята более простая маркировка, состоящая из букв Zener и цифр, обозначающих напряжение. Например, 1N4728 — диод Зенера на 3,3 В.

Параметры и характеристики

Помимо уже рассмотренных основных параметров стабилитрона, для грамотного выбора и применения нужно знать дополнительные характеристики этих приборов:

1. Вольт-амперная характеристика. ВАХ стабилитрона имеет классический вид с участком отрицательного дифференциального сопротивления в области напряжений стабилизации Устаб. Наклон этого участка характеризует величину дифсопротивления рдиф.
2. Температурные характеристики. От температуры зависят такие параметры, как напряжение стабилизации, его допуск и дифференциальное сопротивление. Для учета этой зависимости вводят температурный коэффициент напряжения ТКУстаб.
3. Дифференциальное сопротивление. Дифференциальное сопротивление рдиф влияет на стабильность напряжения стабилизации. Чем меньше это значение, тем лучше подавляются колебания напряжения на стабилитроне при изменениях тока в цепи.

1. Динамические параметры. Это временные характеристики стабилитрона: время восстановления стабильного напряжения после импульса тока и максимально допустимая скорость нарастания тока через диод.

Области применения

Благодаря свойству стабилизации напряжения, диоды Зенера широко применяются в различных устройствах для решения следующих задач:

1. Стабилизаторы напряжения. Самое распространенное применение - использование в качестве недорогого стабилизирующего элемента в линейных и импульсных источниках вторичного электропитания.
2. Источники опорного напряжения. Высокостабильные диоды Зенера применяются для получения точных опорных напряжений, необходимых в измерительных схемах и аналого-цифровых преобразователях.
3. Ограничители тока и напряжения. Благодаря относительно низкому дифференциальному сопротивлению в режиме стабилизации, диоды Зенера можно использовать для ограничения тока в цепи или амплитуды импульсных сигналов.
4. Защита от электромагнитных помех. Стабилитроны применяются в фильтрах для подавления высокочастотных импульсных и синусоидальных помех.
5. Измерительные схемы. Стабилитроны входят в состав делителей напряжения, использующихся в вольтметрах и другой измерительной аппаратуре.