Стабилитрон (или диод Зенера) — сильно легированный полупроводниковый диод, который предназначен для работы в обратном направлении. Другими словами, диод, который специально разработан для оптимизации области пробоя, известен как стабилитрон.
Ниже показано графическое обозначение стабилитрона на электрических схемах:
Устройство стабилитрона
Устройство стабилитрона показано на рисунке ниже. Стабилитрон используется в режиме обратного смещения. Обратное смещение означает, что материал n-типа диода подключен к положительной клемме источника питания, а материал p-типа подключен к отрицательной клемме источника питания. Область истощения (обедненная область) диода очень тонкая, потому что он сделан из сильно легированного полупроводникового материала.
Принцип работы стабилитрона
Стабилитрон изготовлен из сильно легированного полупроводникового материала. Сильно легированный означает, что полупроводниковый материал имеет высокое содержание примесей и это повышает его проводимость. Область обеднения стабилитрона очень тонкая из-за примесей. Сильно легирующий материал увеличивает напряженность электрического поля в обедненной области элемента даже при небольшом обратном напряжении.
Когда смещение стабилитрона не применяется, электроны остаются в валентной зоне материала р-типа и ток через диод не протекает. Зона, в которой находятся валентные электроны (крайняя электронная орбита), называется электроном валентной зоны. Электроны валентной зоны легко переходят из одной полосы в другую, когда на нее подается внешняя энергия.
Когда обратное смещение применяется к диоду и напряжение питания равно напряжению стабилитрона, оно начинает проводить в обратном направлении смещения. Напряжение стабилитрона — это напряжение, при котором область обеднения полностью исчезает.
Обратное смещение через диод увеличивает напряженность электрического поля в области истощения. Таким образом, это позволяет электронам перемещаться из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа. Эта передача электронов валентной зоны в зону проводимости уменьшает барьер между материалом p и n-типа. Когда область истощения исчезает практически полностью, диод начинает проводить в обратном направлении.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера) показана на рисунке ниже. Эта кривая показывает, что стабилитрон, когда подключен напрямую, ведет себя как обычный диод. Но когда на него подается обратное напряжение и обратное напряжение выходит за пределы заданного значения, в диоде происходит пробой и он начинает работать как стабилитрон.
При пробое диода Зенера ток начинает течь в обратном направлении. График пробоя стабилитрона не совсем вертикальный, как показано выше, который показывает, что стабилитрон имеет сопротивление. Напряжение на диоде Зенера представлено уравнением, показанным ниже.
Применение стабилитрона
Диод Зенера в основном используется в коммерческих и промышленных применениях. Ниже приведены основные применения стабилитрона:
В качестве стабилизатора напряжения — стабилитрон используется для регулирования напряжения. Он обеспечивает постоянное напряжение от источника напряжения к нагрузке. Стабилитрон подключается параллельно нагрузке и поддерживает постоянное напряжение UZ и, следовательно, стабилизирует напряжение.
Для защиты измерителя — стабилитрон обычно используется в мультиметрах для защиты измерителя от случайных перегрузок. Измерительный элемент подключен параллельно с диодом Зенера. Когда в цепи происходит перегрузка, большая часть тока проходит через стабилитрон. Таким образом, измерительный элемент защищается от повреждений.
Для формирования сигнала — стабилитрон используется для преобразования синусоидальной волны в прямоугольную. Это можно сделать, подключив два стабилитрона встречно последовательно с сопротивлением.
Когда напряжение, подаваемое на нагрузку, меньше напряжения пробоя стабилитрона, диод Зенера имеет высокое внутреннее сопротивление, что эквивалентно разрыву электрической сети (разомкнутый контакт) и ток протекает только через нагрузку. Когда напряжение становится больше напряжения пробоя стабилитрона, сопротивление стабилитрона резко снижается, что является аналогом короткого замыкания (контакт замкнут) и ток протекает через стабилитрон, а не через нагрузку. Из-за чего происходит сильное падение напряжения в цепи, после падения напряжения в цепи ниже напряжения пробоя стабилитрона, сопротивление диода Зенера восстанавливается и ток перестает протекать через него. Таким образом, осуществляется защита чувствительных элементов электрической цепи от перенапряжения.
