Стабилитрон - это что, и для чего он нужен?

Стабилитроны - незаменимые компоненты во многих электронных схемах. Знаете ли вы, что это такое и для чего они нужны? Давайте разберемся!

Что такое стабилитрон

Стабилитрон - это полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в режиме электрического пробоя p-n перехода при обратном напряжении. В отличие от обычных выпрямительных диодов, стабилитрон рассчитан именно на такой режим работы и не выходит из строя.

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.

Когда на стабилитрон подается напряжение ниже определенного порогового значения, он ведет себя как запертый диод - через него протекает лишь небольшой ток утечки. Но после достижения напряжением порогового значения, характерного для конкретного типа стабилитрона, происходит резкое увеличение тока - наступает пробой p-n перехода.

В режиме пробоя напряжение на стабилитроне стабилизируется и поддерживается постоянным в определенном диапазоне протекающих через него токов. Это свойство и определяет основное назначение стабилитронов - стабилизация напряжения в электронных схемах.

Типы стабилитронов

Существует несколько способов классификации стабилитронов:

• По механизму пробоя: С туннельным пробоем (до 5-6 В) С лавинным пробоем (свыше 6-7 В)
• По напряжению стабилизации: Низковольтные (до 10 В) Средневольтные (10-100 В) Высоковольтные (свыше 100 В)
• По максимальной рассеиваемой мощности
• По конструкции и способу изготовления
• По областям применения: Стабилизирующие Защитные (от перенапряжений) Прецизионные (высокостабильные)

К наиболее распространенным относятся кремниевые стабилитроны на напряжения от 3 до 200 В мощностью до 50 Вт, применяемые для стабилизации напряжения в различных устройствах.

Конструкция и технология изготовления

В качестве основного материала для изготовления стабилитронов используется монокристаллический кремний. Реже применяются соединения типа карбида кремния или арсенида галлия.

Конструктивно стабилитроны могут выпускаться в пластмассовых или металлокерамических корпусах с разным количеством выводов. Наиболее распространены двухвыводные исполнения для установки в отверстия печатных плат.

Массовая сборка диодов, в том числе стабилитронов, в двухвыводных корпусах с гибкими выводами может выполняться двумя способами:

• Пайкой выводов непосредственно к кремниевой пластине
• Припаиванием выводов к металлизированным контактным площадкам

Технология изготовления стабилитронов включает такие операции, как легирование кремния примесями, нанесение металлических контактов-электродов методом вакуумного напыления, резка пластин на отдельные кристаллы и их корпусирование с формированием выводов.

Параметры и характеристики

Основные параметры стабилитрона:

Другие важные характеристики:

• Температурный коэффициент напряжения стабилизации
• Долговременная стабильность параметров
• Уровень собственных шумов
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Основной характеристикой любого стабилитрона является его вольт-амперная характеристика (ВАХ) - зависимость тока через прибор от приложенного напряжения. На рисунке показан пример ВАХ стабилитрона при прямом и обратном включении.

Как видно из рисунка, в режиме прямого включения стабилитрон ведет себя как обычный диод - ток резко возрастает при увеличении положительного напряжения на аноде. А в режиме обратного включения наблюдается характерная для стабилитрона ступенька пробоя с последующей стабилизацией напряжения в широком диапазоне токов.

Применение стабилитронов

Основное назначение стабилитронов - это стабилизация и ограничение напряжения в электронных схемах. Рассмотрим наиболее распространенные области применения:

• Стабилизаторы напряжения на основе простейших схем с использованием стабилитрона в качестве элемента обратной связи
• Источники опорного напряжения высокой точности для АЦП, ЦАП и других устройств точной электроники
• Ограничители тока и защита цепей от перенапряжений

Ранее стабилитроны также применялись в выпрямителях переменного тока в качестве элементов сглаживающих фильтров - так называемые стеклянные стабилитроны. Однако в настоящее время от использования стеклянных стабилитронов полностью отказались.

Моделирование стабилитронов

Для анализа и проектирования схем со стабилитронами используются их математические модели. Наиболее известна стандартная модель стабилитрона в пакете моделирования электронных схем SPICE.

Эта модель позволяет с высокой точностью описывать вольт-амперные характеристики реальных стабилитронов и прогнозировать работу устройств со стабилизацией напряжения еще на этапе схемотехнического проектирования.

Выбор стабилитрона

При выборе стабилитрона для конкретного применения необходимо руководствоваться следующими критериями:

• Требуемое значение напряжения стабилизации
• Максимальный ток нагрузки
• Необходимый уровень стабильности параметров
• Диапазон рабочих температур

Также следует обращать внимание на конструктивное исполнение стабилитрона, например для установки в отверстия печатных плат или на ребро охлаждения в мощных схемах.

Повышение вольтажа стабилитронов

Существуют различные методы увеличения напряжения стабилизации стабилитронов:

1. Использование нескольких последовательно включенных стабилитронов
2. Применение активных преобразователей напряжения на основе транзисторов
3. Изменение технологии изготовления кремниевых стабилитронов с целью получения более высоких вольтажей пробоя

Первые два метода позволяют получать стабилизированные напряжения в сотни вольт на основе широко доступных низковольтных кремниевых стабилитронов. А разработка специальных техпроцессов открывает путь к созданию монолитных высоковольтных стабилитронов.

Надежность стабилитронов

Надежная работа стабилитронов в течение длительного срока является важнейшим требованием для большинства применений. Рассмотрим основные факторы, влияющие на надежность:

• Технология изготовления кремниевых пластин
• Качество корпусирования кристаллов
• Условия эксплуатации стабилитронов

На этапе производства принимаются специальные меры по повышению стойкости стабилитронов к внешним воздействиям. К ним относятся контроль чистоты материалов, вакуумное напыление контактов, нагревостойкие припои.

Контроль качества

Все стабилитроны в процессе производства проходят входной, операционный и приемо-сдаточный контроль в соответствии с требованиями ГОСТ и ТУ.

Наиболее важные испытания:

• Проверка вольт-амперной характеристики
• Измерение параметров в рабочем диапазоне температур
• Испытания на надежность

Такая строгая система контроля гарантирует стабильность заявленных в паспорте электрических и эксплуатационных характеристик выпускаемых стабилитронов.

Перспективы применения стабилитронов

Несмотря на широчайшее распространение, стабилитроны продолжают совершенствоваться. Основные направления работ:

1. Повышение стабильности параметров при изменении внешних условий
2. Расширение функциональных возможностей
3. Создание высоковольтных стабилитронов большой мощности

Также ведутся работы по замене кремния в качестве базового материала для стабилитронов. К перспективным полупроводникам относятся карбид кремния и арсенид галлия. Их применение позволит улучшить характеристики стабилитронов и расширить области использования.