Напряжение пробоя это напряжение при котором возникает

Стабилитрон-характеристика и принцип работы.

Стабильный — это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа радиоэлектронной аппаратуры. Если оно изменится в меньшую, или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать «играющее» напряжение.

Терминология и классификация

В русскоязычной литературе понятие «стабилитрон» без уточняющего «полупроводниковый» применяется именно к полупроводниковым стабилитронам. Уточнение необходимо, если нужно противопоставить стабилитроны полупроводниковые устаревшим газонаполненным стабилитронам тлеющего и коронного разряда. Катодом стабилитрона обозначается вывод, в который втекает обратный ток (n-область обратно-смещённого p-n-перехода), анодом — вывод, из которого ток пробоя вытекает (p-область p-n-перехода). Двуханодные (двусторонние) стабилитроны состоят из двух стабилитронов, включённых последовательно во встречных направлениях, «катод к катоду» или «анод к аноду», что с точки зрения пользователя равнозначно.

Полупроводниковые стабилитроны вошли в промышленную практику во второй половине 1950-х годов. В прошлом в номенклатуре стабилитронов выделялись функциональные группы, впоследствии потерявшие своё значение, а современные полупроводниковые стабилитроны классифицируются по функциональному назначению на:

• Дискретные стабилитроны общего назначения — силовые и малой мощности. В СССР стабилитроны классифицировались по рассеиваемой мощности на четыре группы: 0—0,3 Вт, 0,3—5 Вт, 5—10 Вт и свыше 10 Вт;
• Прецизионные стабилитроны, в том числе термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой;
• Подавители импульсных помех («ограничительные диоды», «супрессоры», «TVS-диоды»).

Название «зенеровский диод» (калька с английского zener diode, по имени первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера), согласно ГОСТ 15133—77 «Приборы полупроводниковые. Термины и определения», в технической литературе не допустимо. В англоязычной литературе словом stabilitron или stabilotron называют стабилотрон — не получивший широкого распространения тип вакуумной генераторной лампы СВЧ-диапазона , а понятие zener или zener diode («зенеровский диод») применяется к стабилитронам всех типов независимо от того, какой механизм пробоя (зенеровский или лавинный) преобладает в конкретном приборе. Английское avalanche diode («лавинный диод») применяется к любым диодам лавинного пробоя, тогда как в русскоязычной литературе лавинный диод, или «ограничительный диод» по ГОСТ 15133—77 — узко определённый подкласс стабилитрона с лавинным механизмом пробоя, предназначенный для защиты электроаппаратуры от перенапряжений. Ограничительные диоды рассчитаны не на непрерывное пропускание относительно малых токов, а на краткосрочное пропускание импульсов тока силой в десятки и сотни А. Так называемые «низковольтные лавинные диоды» (англ. low voltage avalanche, LVA), напротив, предназначены для работы в непрерывном режиме. Это маломощные стабилитроны с необычно низким дифференциальным сопротивлением; в промышленной практике различие между ними и «обычными» стабилитронами стёрлось.

Некоторые «прецизионные стабилитроны» несут обозначения, характерные для дискретных приборов, но в действительности являются сложными интегральными схемами. Внутренними источниками опорного напряжения таких микросхем могут служить и стабилитроны, и бандгапы. Например, двухвыводной «прецизионный стабилитрон» 2С120 (аналог AD589) — это бандгап Брокау. На структурной схеме микросхемы TL431 изображён стабилитрон, но в действительности TL431 — это бандгап Видлара.

Не являются стабилитронами лавинно-пролётные диоды, туннельные диоды и стабисторы. Стабисторы — это маломощные диоды, предназначенные для работы на прямом токе в стабилизаторах напряжения и как датчики температуры. Характеристики стабисторов в обратном включении не нормировались, а подача на стабистор обратного смещения допускалась только «при переходных процессах включения и выключения аппаратуры». Обращённые диоды в различных источниках определяются и как подкласс стабилитронов, и как подкласс туннельных диодов. Концентрация легирующих примесей в этих диодах настолько велика, что туннельный пробой возникает при нулевом обратном напряжении. Из-за особых физических свойств и узкой области применения они обычно рассматриваются отдельно от стабилитронов и обозначаются на схемах особым, отличным от стабилитронов, символом.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с «кепочкой» называется также как и у диода — катод, а другой вывод — анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева популярный вид современного стабилитрона, а справа один из образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится катод, а где анод.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона аналогично ВАХ диода и имеет две ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочей для диода, а обратная ветвь характеризует работу стабилитрона, поэтому он включается в электрическую цепь в обратном направлении (катодом к плюсу, а анодом к минусу) по сравнению с диодом. Поэтому стабилитрон называю опорным диодом, а источник питания с данным полупроводниковым элементом называют опорным источником напряжения. Такой терминологий будем пользоваться и мы.

На обратной ветви вольт-амперной характеристик опорного диода выделим две характерные точки 1 и 3. Точка 1 отвечает минимальному значению тока стабилизации, который находится в пределах единиц миллиампер. Если ток, протекающий через стабилитрон, будет ниже точки 1, то он не сможет выполнять свои функции (не откроется). В случае превышения тока выше точки 3 опорный диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому оптимальной точкой в большинстве случае будет точка посредине обратной ветви ВАХ, то есть точка 2. Тогда при изменении тока в широких пределах (смотрите ось Y) точка 2 будет изменять свое положение, перемещаясь вверх или вниз по обратной ветви, а напряжение будет изменяться незначительно (смотрите ось X).

Встречное, параллельное, последовательное соединение стабилитронов

Для повышения напряжения стабилизации можно последовательно соединять два и более стабилитрона. Например на нагрузке нужно получить 17 В, тогда, в случае отсутствия нужного номинала, применяют опорные диоды на 5,1 В и на 12 В.

Параллельное соединение применяется с целью повышения тока и мощности.

Также стабилитроны находят применение для стабилизации переменного напряжения. В этом случае они соединяются последовательно и встречно.

В один полупериод переменного напряжения работает один стабилитрон, а второй работает как обычный диод. Во второй полупериод полупроводниковые элементы выполняют противоположные функции. Однако в таком случае форма выходного напряжения будет отличается от входного и выглядит как трапеция. За счет того, что опорный диод будет отсекать напряжение, превышающее уровень стабилизации, верхушки синусоиды будут срезаться.

Стабилитрона на схеме

Стабилитрон работает только в цепи постоянного тока, и пропускает напряжение в прямом направлении анод – катод так же — как и диод. В отличи от диода у стабилитрона есть одна особенность, если подать ток в обратном направлении катод – анод, ток через стабилитрон течь не будет, но ток в обратном направлении не будет течь только до тех пор, пока напряжение не превысит заданное значение.

Что является заданным значением напряжения для стабилитрона?

Стабилитрон имеет свои параметры – это напряжение стабилизации и ток. Параметр напряжение — указывает при какой величине напряжения стабилитрон будет пропускать ток в обратном направлении, параметром ток – задана сила тока, при которой стабилитрон может работать не повреждаясь.

Стабилитроны изготавливают для стабилизации напряжения различной величины, например, стабилитрон с обозначением V6.8 будет стабилизировать напряжение в пределах 6.8 Вольта.

Таблица рабочих параметров стабилитронов.

В таблице указаны основные параметры – это напряжение стабилизации и ток стабилизации. Есть и другие параметры, но они тебе пока не нужны. Главное понять суть работы стабилитрона и научиться выбирать нужный тебе для твоих схем и для ремонта радиоэлектроники.

Рассмотрим принципиальную схему объясняющую принцип работы стабилитрона.

Возьмем стабилитрон параметром — напряжение стабилизации 12Вольт.

Для того чтобы через стабилитрон начал поступать ток в обратном направлении от катода к аноду, входное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации стабилитрона (с запасом). Например — если стабилитрон рассчитан на напряжение стабилизации 12Вольт входное напряжение должно быть не меньше 15Вольт.

Балластный резистор Rб ограничивает ток который будет проходить через стабилитрон до номинального.

Как видишь, при напряжении, превышающем ток стабилизации стабилитрона, оный начинает сбрасывать лишнее напряжение через себя на минус.

Иными словами, стабилитрон, выполняет роль переливной трубы, чем больше напор воды или величина электрического тока, тем сильнее открывается стабилитрон и наоборот при уменьшении напряжения, стабилитрон начинает закрываться, уменьшая прохождения тока через себя.

Эти изменения могут происходить как плавно, так и с огромной скоростью в малых интервалах времени, что позволяет добиться высокого коэффициента стабилизации напряжения.

Если напряжение на входе стабилизатора будет меньше 12Вольт, стабилитрон “закроется” и напряжение на выходе стабилизатора будет “плавать” так – же, как и на входе, при этом никакой стабильности напряжения не будет. Вот почему напряжение входное должно быть больше чем необходимое выходное (с запасом).

Приведенная схема называется параметрический стабилизатор. Кто хочет полный расклад по расчету параметрического стабилизатора, пусть посетит ГУГЛ, нам начинающим для первого раза вполне достаточно, не будем заморачивать себя формулами.

Теперь перейдем к лабам (лабораторным работам :).

Перед тобой макет параметрического стабилизатора, на входе и выходе макета имеются вольтметры. Сейчас вольтметр на ВХОДЕ стабилизатора показывает 6 вольт на ВЫХОДЕ стабилизатора практически такое же напряжение. Так как я уже говорил, стабилитрон макета имеет напряжение стабилизации 8и2 вольта, напряжение в 6 Вольт на ВХОДЕ стабилизатора, не превышает напряжение стабилизации стабилитрона, поэтому стабилитрон закрыт.

Теперь я повышаю напряжение на входе стабилизатора до 15 Вольт, напряжение на входе стабилизатора превысило напряжение стабилизации стабилитроне и на выходе стабилизатора достигло заданного напряжения стабилизации 8.2 Вольта таким оно и остается, практически неизменным, даже при резких бросках напряжения, стабилитрон отрабатывает мгновенно, поддерживая стабильность напряжения. Повторяюсь еще раз – “Для того чтобы параметрический стабилизатор работал правильно на входе всегда должно быть напряжение, превышающее напряжение стабилизации стабилитрона т. е. с запасом примерно 15-25%”

Так как ток стабилизации такого параметрического стабилизатора слишком мал, параметрический стабилизатор обычно применяют в блоках питания как стабилизирующий элемент схемы, где кроме самого стабилизатора присутствуют элементы регулировки напряжения, мощные транзисторы.

Пример — схема регулируемого стабилизатора (блока питания).

В современной электронике, параметрические стабилизаторы применяют все реже, в основном используя специальные микросхемы, которые представляют из себя довольно мощные стабилизаторы с очень хорошим коэффициентом стабилизации, они компактны и легко применимы.

Но о них мы поговорим в следующий раз. Тем не менее, параметрические стабилизаторы можно встретить во многих различных электронных схемах, поэтому знать их и понимать элементарно принцип работы нужно.

Условно графическое обозначение

Все приборы имеют графическое обозначение. Это необходимо, чтобы не загромождать электрическую схему. Стабилитрон имеет свое условно-графическое обозначение, которое утверждено межгосударственным стандартом единого стандарта конструкторской документации (ЕСКД).

На рисунке снизу представлено как обозначается на схеме по ГОСТ 2.730-73, стабилитрон обозначается практически как диод, так как, в сущности, является одной из его разновидностей.

Для правильного включения следует различать, где плюс, где минус. Если смотреть на приведенный выше рисунок, то на нем плюс (анод) расположен слева, а минус (катод) справа. Согласно ЕСКД размеры УГО диодов должны составлять 5/5 мм. Это иллюстрирует рисунок снизу.

Принцип действия

Вольт-амперные характеристики стабилитронов с преобладанием лавинного (слева) и туннельного (справа) механизмов пробоя

Полупроводниковый стабилитрон — это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости — разрушительного саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния и арсенида галлия .

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете . Его «Теория электрического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложенный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм. Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:

• Туннельный, или зенеровский, пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 106 В/см. Такие уровни напряжённости возможны только в высоколегированных диодах (структурах p+-n+-типа проводимости) с напряжением пробоя не более шестикратной ширины запрещённой зоны (6 EG ≈ 6,7 В), при этом в диапазоне от 4 EG до 6 EG (4,5…6,7 В) туннельный пробой сосуществует с лавинным, а при напряжении пробоя менее 4 EG (≈4,5 В) полностью вытесняет его. С ростом температуры перехода ширина запрещённой зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН).
• В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, бо́льшими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4 EG (≈4,5 В), а при напряжениях пробоя выше 4 EG (≈7,2 В) полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом температуры возрастает, а наибольшая величина ТКН пробоя наблюдается в низколегированных, относительно высоковольтных, переходах.

Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо — по напряжению стабилизации, и точно — по знаку его температурного коэффициента. В «серой зоне» (см. рисунок), в которой конкурируют оба механизма пробоя, ТКН может быть определён только опытным путём. Источники расходятся в точных оценках ширины этой зоны: С. М. Зи указывает «от 4 EG до 6 EG» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» — «от 5 до 7 В», Линден Харрисон — «от 3 до 8 В», Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В — исключение из правила: в них действует только лавинный механизм.

Оптимальная совокупность характеристик стабилитрона достигается в середине «серой зоны», при напряжении стабилизации около 6 В. Дело не столько в том, что благодаря взаимной компенсации ТКН туннельного и лавинного механизмов эти стабилитроны относительно термостабильны, а в том, что они имеют наименьший технологический разброс напряжения стабилизации и наименьшее, при прочих равных условиях, дифференциальное сопротивление. Наихудшая совокупность характеристик — высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление — свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3—4,7 В.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов. В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх – входное напряжение, Uвых.ст. – выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения. Здесь все элементарно и просто:

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку. Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем Блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт! Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне 5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт, а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт – это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Номинальное напряжение стабилизации

Первый параметр зенера, на который надо обратить внимание при выборе – напряжение стабилизации, определяемое точкой начала лавинного пробоя. С него начинают выбор прибора для использования в схеме. У разных экземпляров ординарных стабилитронов, даже одного типа, напряжение имеет разброс в районе нескольких процентов, у прецизионных разница ниже. Если номинальное напряжение неизвестно, его можно определить, собрав простую схему. Следует подготовить:

• балластный резистор в 1…3 кОм;
• регулируемый источник напряжения;
• вольтметр (можно использовать тестер).

Надо поднимать напряжение источника питания с нуля, контролируя по вольтметру рост напряжения на стабилитроне. В какой-то момент он остановится, несмотря на дальнейшее увеличение входного напряжения. Это и есть фактическое напряжение стабилизации. Если регулируемого источника нет, можно использовать блок питания с постоянным выходным напряжением заведомо выше Uстабилизации. Схема и принцип измерения остаются теми же. Но есть риск выхода полупроводникового прибора из строя из-за превышения рабочего тока.

Стабилитроны применяются для работы с напряжениями от 2…3 В до 200 В. Для формирования стабильного напряжения ниже данного диапазона, используются другие приборы – стабисторы, работающие на прямом участке ВАХ.

Диапазон рабочих токов

Ток, при котором стабилитроны исполняют свою функцию, ограничен сверху и снизу. Снизу он ограничен началом линейного участка обратной ветви ВАХ. При меньших токах характеристика не обеспечивает режима неизменности напряжения.

Верхнее значение лимитировано максимальной мощностью рассеяния, на которую способен полупроводниковый прибор и зависит от его конструкции. Стабилитроны в металлическом корпусе рассчитаны на больший ток, но не надо забывать об использовании радиаторов. Без них наибольшая допустимая мощность рассеяния будет существенно меньше.

Дифференциальное сопротивление

Еще один параметр, определяющий работу стабилитрона – дифференциальное сопротивление Rст. Оно определяется как отношение изменения напряжения ΔU к вызвавшему его изменение тока ΔI. Эта величина имеет размерность сопротивления и измеряется в омах. Графически — это тангенс угла наклона рабочего участка характеристики. Очевидно, что чем меньше сопротивление, тем лучше качество стабилизации. У идеального (не существующего на практике) стабилитрона Rст равно нулю – любое приращение тока не вызовет никакого изменения напряжения, и участок ВАХ будет параллелен оси ординат.

Схемы включения стабилитрона

Основная схема включения стабилитрона – последовательно с резистором, который задает ток через полупроводниковый прибор и берет на себя излишек напряжения. Два элемента составляют обычный делитель. При изменении входного напряжения падение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе изменяется.

Такая схема может использоваться самостоятельно и называется параметрическим стабилизатором. Он поддерживает напряжение на нагрузке постоянным, несмотря на колебания входного напряжения или потребляемого тока (в определенных пределах). Подобный блок ещё используют в качестве вспомогательной схемы там, где нужен источник образцового напряжения.

Подобное включение также применяется в качестве защиты чувствительного оборудования (датчиков и т.п.) от нештатного появления высокого напряжения в линии питания или измерения (постоянного или случайных импульсов). Все, что выше напряжения стабилизации полупроводникового прибора, «срезается». Такая схема называется «барьером Зенера».

Раньше свойство стабилитрона «срезать» верхушки напряжения широко использовалось в схемах формирователей импульсов. В цепях переменного тока применялись двуханодные приборы.

Но с развитием транзисторной техники и появлением интегральных микросхем такой принцип стал использоваться редко.

Если под рукой отсутствует стабилитрон на нужное напряжение, его можно составить из двух. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме двух напряжений.

Важно! Нельзя включать стабилитроны параллельно для увеличения рабочего тока! Разброс вольтамперных характеристик приведет к выводу в зону теплового пробоя один стабилитрон, далее выйдет из строя второй из-за превышения тока нагрузки.

Хотя в технической документации времен СССР разрешается включение параллельное зенеров в параллель, но с оговоркой, что приборы должны быть однотипные и суммарная фактическая мощность рассеяния в процессе эксплуатации не должна превышать допустимую для единичного стабилитрона. То есть, увеличения рабочего тока при таком условии не добиться.

Для повышения допустимого тока нагрузки используется другая схема. Параметрический стабилизатор дополняется транзистором, и получается эмиттерный повторитель с нагрузкой в цепи эмиттера и стабильным напряжением на базе транзистора .

В этом случае выходное напряжение стабилизатора будет меньше Uстабилизации на величину падения напряжения на эмиттерном переходе – для кремниевого транзистора около 0,6 В. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, можно включить последовательно со стабилитроном диод в прямом направлении.

Таким способом (включением одного или нескольких диодов) можно подкорректировать выходное напряжение стабилизатора в большую сторону в небольших пределах. Если надо радикально повысить Uвых, лучше включить последовательно ещё одни стабилитрон.

Сфера применения стабилитрона в электронных схемах обширна. При осознанном подходе к выбору этот полупроводниковый прибор поможет решить множество задач, поставленных перед разработчиком.

Области применения

Защитные стабилитроны в «умном» МДП-транзисторе семейства Intelligent Power Switch компании International Rectifier

Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой широко применяются в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения (ИОН), в том числе в наиболее требовательных к стабильности напряжения схемах измерительных аналого-цифровых преобразователей. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона.

Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «супрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты электроаппаратуры от перенапряжений, вызываемых разрядами молний и статического электричества, а также от выбросов напряжения на индуктивных нагрузках. Такие приборы номинальной мощностью 1 Вт выдерживают импульсы тока в десятки и сотни ампер намного лучше, чем «обычные» пятидесятиваттные силовые стабилитроны. Для защиты входов электроизмерительных приборов и затворов полевых транзисторов используются обычные маломощные стабилитроны. В современных «умных» МДП-транзисторах защитные стабилитроны выполняются на одном кристалле с силовым транзистором.

В прошлом стабилитроны выполняли и иные задачи, которые впоследствии потеряли прежнее значение:

• Ограничение, формирование, амплитудная селекция и детектирование импульсов. Ещё в эпоху электронных ламп кремниевые стабилитроны широко применялись для ограничения размаха импульсов и преобразования сигналов произвольной формы в импульсы заданной полярности. С развитием интегральных технологий эту функцию взяли на себя устройства на быстродействующих компараторах, а затем цифровые процессоры обработки сигналов.
• Стабилизация напряжения переменного тока также сводилась к ограничению размаха синусоидального напряжения двусторонним стабилитроном. При изменении входного напряжении амплитуда выходного напряжения поддерживалась постоянной, а его действующее значение лишь незначительно отставало от действующего значения входного напряжения.
• Задание напряжений срабатывания реле. При необходимости установить нестандартный порог срабатывания реле последовательно с его обмоткой включали стабилитрон, доводивший порог срабатывания до требуемого значения. С развитием полупроводниковых переключательных схем сфера применения реле сузилась, а функцию управления реле взяли на себя транзисторные и интегральные пороговые схемы.
• Задание рабочих точек усилительных каскадов. В ламповых усилителях 1960-х годов стабилитроны использовались как замена RC-цепочек автоматического смещения. На нижних частотах звукового диапазона и на инфразвуковых частотах расчётные ёмкости конденсаторов таких цепей становились неприемлемо велики, поэтому стабилитрон стал экономичной альтернативой дорогому конденсатору.
• Межкаскадный сдвиг уровней. Сдвиг уровней в ламповых усилителях постоянного тока обычно осуществлялся с помощью газонаполненных стабилитронов или обычных неоновых ламп. C изобретением полупроводниковых стабилитронов они стали применяться вместо газонаполненных. Аналогичные решения применялись и в транзисторной аппаратуре, но были быстро вытеснены более совершенными схемами сдвига уровней на транзисторах.
• Стабилитроны с высоким ТКН использовались как датчики температуры в мостовых измерительных схемах . По мере снижения напряжений питания и потребляемых мощностей эту функцию приняли на себя прямо смещённые диоды, транзисторные PTAT-цепи и интегральные схемы на их основе.

В среде моделирования SPICE модель элементарного стабилитрона используется не только по прямому назначению, но и для описания режима пробоя в моделях «реальных» биполярных транзисторов. Стандартная для SPICE модель транзистора Эберса—Молла режим пробоя не рассматривает.

• https://www.RusElectronic.com/printsip-raboty-stabilitrona/
• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD
• https://diodov.net/stabilitron-printsip-raboty-i-markirovka-stabilitronov/
• https://slojno.net/stabilitron/
• https://elektrik-sam.ru/baza-znanij/4146-kak-rabotaet-stabilitron-i-dlja-chego-on-nuzhen.html
• https://wiki2.org/ru/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD
• https://principraboty.ru/stabilitron-princip-raboty/
• https://radio-blog.ru/master/stabilitron/
• https://odinelectric.ru/equipment/electronic-components/princip-raboty-i-harakteristiki-stabilitrona

Электрический пробой

Что такое электрический пробой и как он образуется? Что именно происходит с изолятором при пробое? Что такое диэлектрическая прочность и какова прочность типовых изоляторов? Давайте разбираться.

Основа электричества – это ток и напряжение. Оба эти явления тесно связаны, так как нет тока без напряжения и они используются для снабжения устройств электричеством. Проблема возникает когда внезапно теряется контроль над одной из этих величин. Тогда могут произойти два опасных явления. Первое называется коротким замыканием и возникает когда протекает слишком большой ток. Второе возникает когда это напряжение превышает безопасное значение, оно и называется электрическим пробоем.

Что такое электрический пробой

Заряды, протекающие в электрических кабелях, несут с собой энергию необходимую для работы радиоэлектронных устройств. Когда подключаете к розетке зарядное устройство, пылесос или любое другое устройство, то можете заметить что сетевая вилка и кабель сделаны из пластика или резины. В мире электричества оба этих материала называются изоляторами (или диэлектриками), их основная функция – предотвращать утечку электричества. Изоляция гарантирует что ток протечет внутри провода прямо к устройству, находящемуся под напряжением, а не через тело, что может закончиться для человека трагически.

Мир изоляторов, конечно, намного шире и не ограничивается только бытовыми устройствами. Например воздух – неплохой изолятор, благодаря которому нас не ударит током, когда идем возле высоковольтных линий. Другой пример – различные типы масел, в которые погружается мощное электрооборудование, требующее как изоляции, так и хорошего охлаждения.

Изоляторы защищают от тока, но у них есть свои ограничения. И когда такой изолятор выходит из строя, происходит явление, называемое пробоем. Ситуация резко меняется и из материала, который идеально блокирует ток, изолятор внезапно становится хорошим проводником.

Когда происходит пробой диэлектрика

Поскольку изолятор может внезапно «перестать работать» возникает вопрос, когда это может случиться и как этого избежать. Есть два пути, которые приводят к феномену электропробоя:

1. Механическое повреждение изоляции – возникает при повреждении электрического провода или корпуса устройства. Если заметили, что из-под изоляции кабеля торчат медные провода или в сломанном корпусе устройства видны какие-то металлические детали, ни в коем случае нельзя продолжать использовать такое устройство. Конечно, корпус или кабель можно заменить или отремонтировать, если располагаем подходящими инструментами.
2. Превышение электрической прочности изолятора – многие изоляторы устойчивы к воздействию – трудно механически повредить воздух или масло. Но даже в этом случае любой изолятор, который может остановить прохождение тока, делает это только до определенной степени.

Вышеупомянутый воздух защищает нас от поражения электрическим током от высоковольтных линий, но становится бессильным в борьбе с силами природы. Во время грозы удары молнии буквально взрывают атомы воздуха и пропускают через них электричество огромной мощности. На долю секунды воздух перестает быть изолятором и становится очень хорошим проводником. Конечно молния очень впечатляющая по силе и несет в себе смертельную энергию, но прорыв такого типа может произойти и в гораздо меньших масштабах. Любые искры от газовых плит или зажигалок, – не что иное, как эффект электропробоя воздуха.

Что заставляет изолятор перестать изолировать

Превышение электрической прочности может показаться загадочным и сложным явлением, но это не так. Чтобы точно понять, что происходит внутри изолятора при пробое, нужно посмотреть на это в масштабе отдельных атомов.

Проводники проводят электричество, потому что внутри их структуры целое море «бездомных» электронов. Это так называемые валентные электроны, которые не кажутся слишком плотно прикрепленными к своим атомам и свободно плавают в структуре проводника. Изоляторы (или диэлектрики) – совсем другое дело. Каждый атом контролирует свои электроны, поэтому ни о каких свободных электронах не может быть и речи. Поскольку в нем нет электронов, через материал не может протекать ток.

Наличие свободных электронов в проводнике – это только половина дела. Обычно они внутри него хаотично плавают и в таком состоянии малопригодны. Чтобы они захотели создать компактный поток, текущий в одном направлении (электрический ток), надо заставить их это сделать. Самый простой способ – приложить напряжение – когда отрицательно заряженные свободные электроны почувствуют его, они немедленно полетят к более высокому потенциалу.

Казалось бы, поскольку изолятор не имеет свободных электронов и не способен проводить ток, он также совершенно безразличен к электрическому напряжению. Но это неправда. Помните, что хотя атомы электрически нейтральны, они по-прежнему состоят из крошечных отрицательно заряженных электронов и немного более крупных положительно заряженных протонов. Окружение такого атома разностью потенциалов заставляет электроны, вращающиеся вокруг атомов, отклонять свои орбиты в сторону высокого потенциала, а ядро, в свою очередь, в некоторой степени притягивается низким потенциалом.

Атомная поляризация

На картинке видно, что сближение атома двух противоположно заряженных пластин вызвало его деформацию, которая называется поляризацией. Обратите внимание, что противоположно заряженные пластины даже не должны касаться атома чтобы его деформировать. Это возможно из-за существования невидимого электрического поля, которое может притягивать и отталкивать заряды. Каждый электрон и каждый протон излучают такое поле, и оно также испускается каждым объектом, заряженным определенным количеством заряда. Вот почему атом на рисунке растягивается. Его отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны окружены сильным электрическим полем от двух противоположно заряженных пластин. Под его воздействием они ощущают силу притяжения – электроны к положительному потенциалу, протоны – к отрицательному. Весь атом становится поляризованным, способом электростатической индукции.

Чем сильнее электрическое поле, тем сильнее оно деформирует окружающий атом. При достаточно высокой прочности такой атом может превысить «предел растяжения», что приведет к отрыву от него одного или двух электронов. Именно это происходит при разрушении молекул воздуха под действием молнии. В профессиональном плане этот эффект называется ионизацией.

Диэлектрическая прочность

Ключ к достижению предела прочности материала – создание мощного электрического поля. Как это сделать? Напряженность электрического поля отвечает двум основным свойствам:

• Его значение увеличивается с увеличением напряжения.
• Его значение уменьшается с удалением от источника.

Напряженность электрического поля E измеряется в вольтах на метр [В / м]. Следовательно, если подключим полюса батареи 1 В к двум металлическим пластинам и отодвинем их на 1 метр друг от друга, то получим напряженность электрического поля 1 В / м. Сводя пластины ближе друг к другу или увеличивая напряжение, увеличиваем интенсивность.

Какое тогда значение напряженности электрического поля необходимо, чтобы вызвать пробой? Для большинства изоляторов – невероятно огромное. Электрическая прочность некоторых изоляторов составляет порядка нескольких миллионов вольт на метр. Поэтому, чтобы избежать записи ненужных нулей, в таблицах электрической прочности изоляции обычно используются мегавольты на метр [МВ / м] или киловольты на миллиметр [кВ / мм]. Эти блоки эквивалентны друг другу – 15 МВ / м в точности равно 15 кВ / мм.

Стоит отметить, что среди газов самой высокой прочностью является трихлор-трифторэтан (около 19,5 МВ / м), для жидкостей – бутилбензол (275 МВ / м), а для твердых тел вершиной изоляторов является алмаз, что с результатом 2000 МВ / м даже превосходит своих конкурентов. Лучше этого может быть только идеальный вакуум, но тот, который фактически достигается в лабораториях, имеет диэлектрическую прочность, достигающую «всего» 30 МВ / м.

От чего зависит электропрочность

Значения относятся к веществам высокой чистоты при комнатной температуре и атмосферном давлении. Электрическая прочность – чувствительная величина к внешним условиям, не говоря уже о загрязнении изолятора, что значительно ухудшает его параметры. И есть еще один, менее очевидный момент. Бывает, что напряжение намного ниже предельного, а изолятор все равно разрушается. Как это происходит и почему? Давайте посмотрим на два примера на рисунке ниже:

По разным данным, напряжение между нижними частями грозовых облаков и землей колеблется от 100 кВ до 100 МВ. Предположим в среднем 10 миллионов вольт. Расстояние от земли до такого облака около 8 километров. Разделив одно значение на другое получается, что напряженность электрического поля непосредственно перед ударом молнии составляет 1250 В / м. Так как же происходит разряд, когда значение интенсивности даже близко не к 3 МВ / м?

Второй пример в правой части рисунка показывает конденсатор, то есть устройство, состоящее из двух противоположно заряженных пластин, расположенных очень близко друг к другу. Расстояние между двумя пластинами конденсатора может отличаться от напряжения. В показанном примере напряженность электрического поля составляет всего 1500 В / м, поэтому пока очень далеки от предела пробоя. Расчеты показывают, что можно увеличить напряжение такого конденсатора до 3000 В и ничего не должно произойти. Но в действительности все обстоит иначе, и максимальное напряжение воздушных конденсаторов, рекомендованное производителями, примерно в три раза ниже расчетного. Почему так?

Неравномерность конденсатора

Глядя на два куска плоского листового металла может показаться, что они идеально гладкие. Но под микроскопом заметили бы множество неровностей и неровностей. Как это влияет на конденсатор? Заряд, который собирается на его пластинах, любит накапливаться во всех укромных уголках и трещинах. Из-за большей концентрации заряда напряженность электрического поля в этих местах может быть даже в несколько раз выше, чем в более гладких местах.

Кроме того, там где встречаются две «выпуклости», расстояние между пластинками уменьшается, что дополнительно усиливает поле. В случае с воздушными конденсаторами это не так важно (слишком большое расстояние между пластинами), но в конденсаторах из пластика (ПП, ПЭТ, ПТФЭ) изоляционный слой не превышает нескольких микрометров. По этой причине даже малейшая неравномерность может значительно снизить значение напряжения, которое можем безопасно подать на такой конденсатор.

Почему молния поражает одинокие деревья

Проблема «неравенства» частично является ответом на то, почему молния, несмотря на «всего» 10 миллионов вольт, способна преодолевать расстояние до 8 километров. Потому что всякий раз она где может пытается облегчить себе путь. Вот почему молнии так охотно выбирают одинокие деревья. Прежде всего это высокие предметы, торчащие из земли. Благодаря этому они, в первую очередь, сокращают путь – на несколько метров меньше воздуха, который нужно преодолеть. Во-вторых, верхушка дерева – идеальное место для концентрации заряда и, таким образом, увеличения силы электрического поля. Оба этих эффекта в сочетании с дождем и особым механизмом молнии означают, что они могут легко пробить воздух и избавиться от избыточного отрицательного заряда.

В принципе этого хватит чтоб понять что такое электрический пробой и как он образуется, а если остались непонятные моменты – на форум.

Максимальная рассеиваемая мощность и обратное напряжение на диоде

При использовании полупроводниковых приборов следует соблюдать осторожность и не допускать слишком больших напряжений или токов, которые могли бы испортить прибор. В этой статье мы рассмотрим некоторые факторы, лимитирующие максимальные напряжение и ток на примере диода.

Полупроводниковый диод — один из самых важных и используемых электронных компонентов в электронике. Полупроводниковый диод является двухполюсником, содержащим один р—n переход.

Выводы диода называются «анод» и «катод» (эти названия заимствованы у вакуумных диодов). Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение , при этом через диод протекает прямой ток. При обратном смещении катод более положителен, чем анод . О братный ток при этом ограничен малым током насыщения.

Подробно про диоды и их применение:

Полупроводниковые диоды, используемые в компьютерной плате 1970-х годов (внизу справа и слева от синего конденсатора)

Вольт-амперная характеристика германиевых и кремниевых диодов

Напряжение смещения Vd считается положительным на аноде и отрицательным на катоде. Таким образом, диод находится под прямым смещением, когда анод положительный, а катод отрицательный по отношению к аноду. В обратном случае говорят об обратной поляризации.

Ток, протекающий в диоде (Id), называется прямым, если он течет от анода к катоду (условное направление тока). Если диод смещен в обратном направлении, он не будет проводить ток, если напряжение не будет достаточно высоким, чтобы превысить напряжение пробоя.

Напряжение прямого смещения варьируется в зависимости от материала, используемого в конструкции, оно составляет 0,2 В для германия (VsdGe) и 0,6 В для кремния (VsdSi).

На приведенном выше графике, чтобы значения были удобочитаемыми, были приняты две разные шкалы: одна для первого квадранта декартовой плоскости, а другая — для третьего. Это связано с тем, что значение тока If обратной утечки чрезвычайно низкое, в то время как напряжение обратного пробоя VbSi и VbGe чрезвычайно велико.

Диоды по своему применению обычно классифицируются в зависимости от того, какие из трех областей характеристики диода используются. Так, например, для переключения и выпрямления используется как прямая, так и обратная ветви характеристики диода. При этом, чтобы избежать нежелательного эффекта пробоя, следует выбирать диод с достаточно большим напряжением пробоя.

В свою очередь, область обратного пробоя используется главным образом в источниках опорного напряжения. Диод в этом случае выбирается по величине обратного напряжения, при которой происходит пробой. Эффектом обратного пробоя можно пренебречь, за исключением тех случаев, в которых область обратного пробоя характеристики используется специально.

Максимальная рассеиваемая мощность

Основным недостатком любого элемента электрической схемы является его разогрев. В резистивных элементах рассеиваемая мощность переходит в тепло, которое увеличивает температуру элемента по сравнению с окружающей. Максимальная температура, которую может выдержать прибор, характеризует его способность отдавать выделившееся тепло в окружающую среду и определяет максимально допустимую мощность рассеяния для прибора.

Максимальная температура прибора зависит от нескольких факторов: от изменения свойств полупроводника с температурой, плавления припоев, применяемых при изготовлении приборов, механического разрушения структуры вследствие неравных коэффициентов теплового расширения.

В кремниевых приборах максимальная температура составляет около 200 °С, а для германиевых редко превышает 100 °С. Способность отдавать тепло зависит от конструкции прибора и от способа его крепления.

Улучшение теплоотдачи достигается при монтаже приборов на ребристый теплоотвод и при применении принудительного воздушного или даже жидкостного охлаждения. Так или иначе, приборы и их арматура способны рассеивать определенную мощность без превышения максимально допустимой, температуры.

Максимально допустимая мощность рассеяния ограничивает величину произведения тока на напряжение в приборе.

Границы максимально допустимой мощности на плоскости напряжение — ток

Если построим график соотношения на плоскости напряжение — ток, то получим гиперболы в первом и третьем квадрантах, определяющие границы допустимой мощности рассеяния в приборе. Бели рабочая точка диода пересекает эту границу и выходит из области безопасной работы, то прибор перегревается и его функционирование нарушается.

Обратное напряжение на диоде

В то время как максимальная рассеиваемая мощность устанавливает абсолютные пределы, за которыми происходят необратимые разрушения приборов, имеются другие явления (не обязательно разрушающие), которые приводят к значительным отклонениям характеристик диодов.

Одно из таких явлений, называемое пробоем, при обратном напряжении, ограничивает обратное напряжение, которое может выдержать диод прежде, чем начнется сильное увеличение обратного тока.

При увеличении обратного напряжения на диоде ток, достигнув значения обратного тока насыщения, остается постоянным, а электрическое поле в области объемного заряда растет. Увеличение напряженности электрического поля приводит к увеличению скорости подвижных носителей, пересекающих область объемного заряда и создающих обратный ток.

В некоторый момент скорость носителей становится такой, что при соударении вырываются добавочные электроны из ковалентньгх связей в области объемного заряда, при этом возникают дырки и свободные электроны. Эти новые носители увеличивают обратный ток и могут в свою очередь при соударениях порождать дополнительные подвижные электроны и дырки.

Этот процесс, называемый зенеровским пробоем или внутренней автоэлектронной эмиссией, приводит к тому же результату, что и лавинное размножение: быстрому увеличению обратного тока при превышении определенной величины обратного напряжения. Как правило, зенеровекий пробой преобладает в диодах, которые пробиваются при напряжениях ниже 6 В, а лавинное умножение преобладает в диодах, пробивное напряжение которых выше 6 В.

Очевидно, что пробой сильно влияет на вольт-амперную характеристику диода. Так, если требуется, чтобы диод не пропускал обратного тока, следует выбирать прибор, обратное напряжение которого больше, чем напряжение в схеме, которое может быть подано на диод в обратном направлении.

Хотя термин «пробой» подразумевает разрушение, на самом деле это не всегда так. Диод может работать в области пробоя и даже при напряжениях, значительно превышающих напряжение пробоя, без необратимых изменений, если только не превышается максимально допустимая мощность рассеяния.

Полупроводниковые диоды трех разных типов в плате видеорегистратора. Обратите внимание на аббревиатуры, напечатанные на печатной плате с начальной буквой «D» для диода.

Современные полупроводниковые диоды

Силовые диоды в виде диодного моста для винтового монтажа (обратите внимание на отверстие под болт), подходящего для монтажа на радиаторе.

Диоды Зенера (стабилитроны)

В области пробоя ток через диод почти не зависит от напряжения. Простая линейная модель диода в области пробоя содержит только батарею, напряжение которой равно напряжению пробоя диода. Поэтому если в каком-то месте схемы требуется поддерживать постоянное напряжение, то можно использовать диод, работающий в области пробоя.

Диоды, предназначенные для этого вида работы, называются опорными диодами, диодами Зенера или стабилитронами, хотя механизм пробоя в них может быть и зенеровским, и лавинным. Аналогично напряжение, при котором происходит пробой, часто называют зенеровским напряжением.

Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, который использует обратное смещение и напряжение пробоя в качестве опорного напряжения

По сути, это стабилизатор напряжения. Стабилитрон диод чувствителен к температуре. Для напряжений стабилитрона ниже 5 вольт по мере увеличения температуры напряжение уменьшается, в то время как напряжения стабилитрона выше 6 вольт, когда температура увеличивается, напряжение стабилитрона увеличивается.

Само собой разумеется, что диоды с напряжением около 5-6 В по своей природе более стабильны. Обычно номинальное напряжение измеряется при температуре 25 ° C.

В поисках термостабильности, необходимой в некоторых приложениях, можно последовательно соединить стабилитроны различных типов с противоположными температурными коэффициентами, чтобы колебания напряжения компенсировали друг друга.

Для этого можно использовать и обычные диоды в прямой поляризации, включенные последовательно с стабилитроном, при условии, что они имеют тепловой коэффициент, противоположный таковому у стабилитрона.

Диоды Зенера могут быть соединены последовательно для получения более высоких напряжений. Результирующее напряжение будет суммой отдельных последовательно включенных стабилитронов. Очевидно, что невозможно подключить их параллельно (для увеличения управляемого тока), даже если они имеют одинаковое номинальное напряжение.

Стабилитрон, установленный на алюминиевом радиаторе в электронном приборе 70-х годов

Стабилитроны имеют напряжения пробоя от 2,4 до 200 В. Рядом с символом такого диода часто записывают напряжение пробоя. Изготовители указывают также минимальный обратный ток, при котором должен работать опорный диод, чтобы обеспечить наступление пробоя. Максимальный ток ограничивается максимально допустимой мощностью рассеяния.

Обратное напряжение пробоя светодиода

Для правильного подключения и понимания принципов работы различных контроллеров и драйверов светодиодов необходимо хотя бы поверхностно разобраться с понятием ток, напряжение , область допустимой мощности эксплуатации и овладеть минимальным набором терминов и приёмов электроники для начинающих. Мы постараемся объяснить это понятным языком как для «чайника». Напряжение светодиодов – это непосредственно напряжение на кристалле светодиода и оно мало зависит от протекающего по кристаллу тока. Обратите внимание на следующий график

Характеристики светодиодов напряжение и ток

По вертикальной оси отложен ток в миллиамперах, по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах. Рассмотрим участок отрицательных токов и напряжений – это ситуация когда напряжение прикладывается к кристаллу в нерабочем обратном направлении – диод запирается. Хорошо видно что напряжение светодиодов до примерно 25 вольт практически не вызывает протекание тока сквозь кристалл и лишь превышение порога в 25 вольт вызывает существенное увеличение протекающего тока . Обратное пробивное напряжение светодиодов не является стандартизированным выдерживаемым при производстве параметром и может существенно различаться у различных экземпляров и различного цвета свечения LED , но в данной ситуации нас интересует лишь принцип – поэтому конкретная величина пробивного напряжения нам сейчас не важна. Так вот при превышении порога в 25 вольт увеличение напряжения на несколько вольт сильно увеличивает протекающий сквозь кристалл ток, до определённого момента это не важно , но при превышении допустимой рассеиваемой на кристалле мощности происходит так называемый тепловой пробой кристалла. Немного формул : рассеиваемая мощность P=UxI , где – напряжение на кристалле , — ток протекающий сквозь кристалл , — мощность выделяющаяся на кристалле. При размере smd светодиода в простонародье именуемого 3528 допустимая неразрушающая мощность равняется примерно 0,25 ватт. При превышении этого порога будут происходить необратимые процессы – светодиод просто сгорит. При напряжении порядка 25 вольт достаточно будет тока в 100 миллиампер. По нашей ВАХ это будет примерно соответствовать 27 вольтам обратного напряжения. То есть если приложить к кристаллу в обратном направлении напряжение в 27 вольт – кристалл перегорит — напряжение светодиодов

в обратном направлении не должно быть больше 25 вольт. . Какие выводы следует сделать на основании этого графика?

Напряжение светодиодов в 25 вольт приложенное в обратном напряжении выведет кристалл из строя , при этом напряжение в 12 – 15 вольт в обратном направлении абсолютно безопасно для LED.

Рабочее напряжение светодиодов приложеное в обратном направлении не зажигает и не выводит из строя кристалл.

Для использования в наружной рекламе LED обратная ветвь ВАХ больше нам не нужна – посмотрим напряжение светодиодов в прямом направлении.

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.