8. Полупроводниковый стабилитрон. Как работает, расчет простейшей схемы стабилизации на стабилитроне.

 Полупроводниковый стабилитрон (он же диод Зенера) - это тот же полупроводниковый диод, в котором происходит контролируемый механизм пробоя при обратном смещении диода. До момента пробоя, через обратносмещенный диод протекают незначительные токи (микроамперы). При наступлении пробоя, ток через обратносмещенный диод резко и на порядки возрастает. Вся прелесть в том, что при этом напряжение на стабилитроне меняется очень незначительно (по сравнению с током). Это и позволяет его использовать в схемах, где требуется стабильное напряжение, независящее от колебаний источника питания, но об этом позже. Так выглядит условное графическое изображение на схеме:

На рисунке подписаны выводы стабилитрона. Собственно говоря, названия выводов такие же как и у диода, поскольку, по сути это один и тот же элемент.

 Для того чтобы в стабилитроне произошел пробой, требуется просто повышать на нем напряжение до тех пор, пока ток через него резко не возрастет. Напряжение, при котором происходит резкое увеличение тока через стабилитрон называется напряжением стабилизации. На данный момент существует огромное количество стабилитронов с напряжением стабилизации от единиц до сотен Вольт, причем, напряжение до 6,7 Вольт осуществляется с помощью эффекта туннельного пробоя, всё что выше - с помощью лавинного пробоя. Кто хочет вникнуть в дебри процессов, протекающих в стабилитроне, тому следует пройти по ссылке на статью в Википедии. А здесь будет речь идти о том, как с ним работать.

 Для того чтобы идти дальше, нужно показать ВАХ стабилитрона:

Этот график не совсем похож на те, что обычно рисуют в учебниках, поскольку, данная ВАХ снята в симуляторе эл. цепей, где можно еще и обозначить точки.

 Итак, для снятия ВАХ использовался стабилитрон с напряжением стабилизации (можно сказать с напряжением пробоя) равным 5,6 Вольт. Сама кривая стабилитрона обозначена коричневым цветом. Для наглядности, курсор синего цвета выставлен на начало координат (0).

Далее, перемещаем курсор красного цвета левее на начало резкого увеличения обратного тока, и видим, что напряжение составило 5,61 Вольт, при этом ток равен 5,82 миллиампер (имеется ввиду по модулю). Далее, напряжение слабо меняется по сравнению с током, в этом и есть вся прелесть данного элемента. Кстати, если посмотреть на правую часть графика, то видно, что при превышении прямого напряжения равного ≈ 0,65 Вольт, прямой ток начинает резко увеличиваться. Это говорит о том, что при прямом смещении наш элемент работает как диод. Это и не мудрено, поскольку это один и тот же  p-n переход, просто чтобы   использовать его в качестве диода, технологически делают так, чтобы обратное напряжение пробоя в нем было как можно больше (до 1000 Вольт для сетевого напряжения ), чтобы он при обратном смещении не пробился и не нарушил работу схемы, например, мостового выпрямителя для сетевого напряжения, где амплитудное значение доходит до ≈ 310 Вольт. Если поставленнаяя цель - использование пробоя в обратносмещенном p-n переходе для стабилизации напряжения, тогда технологически делают так, что обратное напряжение пробоя p-n перехода наступает при относительно малых напряжениях.

 Теперь разберемся, как же с ним работать. Во-первых, есть важное правило. Ток через стабилитрон нужно ограничивать, иначе, он просто сгорит. Делать это можно, например, с помощью резистора. Для того чтобы рассчитать его номинал, следует узнать минимальный рабочий ток стабилитрона, который можно посмотреть по даташиту на данный стабилитрон. Как правило, он начинается с 5 миллиампер. максимальный ток через стабилитрон также в нем указан. Дальше, нужно узнать, какой ток потребляет наша схема. В итоге, формула для расчета резистора, ограничивающего ток через стабилитрон имеет следующий вид:

Rогр = (U пит-Uстаб)/(Icтаб+Iнагр),

где Rогр - резистор, ограничивающий ток через стабилитрон, U пит - напряжение питания схемы, Uстаб - напряжение пробоя стабилитрона, Icтаб - ток, проходящий через стабилитрон, Iнагр - ток нагрузки. Итак, допустим что нам нужно рассчитать R огр исходя из известных величин:

U пит =12 Вольт;

Uстаб = 5,6 Вольт;

Iнагр 10 миллиампер.

Еще один важный момент. В итоге, Rогр должен быть таким, чтобы полученный ток через стабилитрон был больше или равен минимальному току стабилизации, указанному в даташите на стабилитрон. Теперь посчитаем. Поскольку ток нагрузки у нас равен 10 миллиампер, то ток через стабилитрон у нас должен быть в нашем случае больше или равен 5 миллиампер (это минимальный ток стабилизации стабилитрона, который будет использоваться дальше в симуляции для проверки). Возьмем, например Icтаб=20 миллиампер. Теперь все подставляем в формулу и рассчитываем:

                                                           Rогр = (12-5,6)/(0,02+0,01)=213,3 (Ом)

Соберем схему в симуляторе и проверим наши расчеты:

Для того чтобы обеспечить величину тока нагрузки для этой схемы, подключен резистор R2 с таким номиналом, что ток нагрузки практически равен 10 миллиампер. Величина резистора нагрузки рассчитывается легко с помощью закона Ома, зная величину напряжения на стабилитроне и требуемый ток нагрузки. Амперметр AM1 измеряет ток через ограничивающий резистор, АМ2 - через стабилитрон, АМ3 - это ток нагрузки. Как видно, результаты практически совпали. В идеале, ток через стабилитрон немного меньше расчетного потому что напряжение измеренное на стабилитроне с помощью вольтметра VM1 составило не 5, 6 Вольт, а 5,71 Вольт. Это связано стем, что это напряжение все-таки немного зависит от протекаемого тока через стабилитрон и увеличивается по мере увеличения этого тока. Чем меньше напряжение будет зависеть от протекаемого тока, тем лучше для нашей нагрузки. Для практических расчетов вышеприведенной формулы вполне хватает.

  Величину изменения напряжения стабилизации от протекаемого тока охарактеризовывает его дифференциальное сопротивление, о котором ранее было описано тут. Этот параметр обычно тоже указывают в даташите. Давайте теперь подключим последовательно с источником питания какой нибудь синусоидальный сигнал амплитудой 1 Вольт и частотой 50 Гц и посмотрим, как это отразится на выходном напряжении стабилитрона. Это собранная схема для испытаний:

Здесь вывод VF1 подключен для измерения величины амплитуды на генераторе. А это график напряжений, полученный с выводов VF1 и VM1:

Как видно, полный размах пульсирующего напряжения на входе схемы достигает 2 Вольт, а на выходе стабилитрона этих пульсаций практически не видно, значит, что он отлично справляется с поставленной задачей.