Как работает стабилитрон? Как сделать прибор для проверки стабилитронов?
Стабилитрон — это диод. Но диод не совсем обычный. В отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для поддержания стабильного напряжения на каком либо участке электрической цепи. Как и любой диод, стабилитрон имеет два вывода, которые называются Анод (+) и Катод(-)
Посмотреть видео об этом тестере стабилитронов
В англоязычной литературе по электронике (а также в интернет магазинах, продающих радиокомпоненты, таких как Aliexpress) стабилитрон называют «Диод Зенера» — Zener Diode. Условное Графическое Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах очень похоже на УГО об ячного диода, но «палочка» около «стрелки» имеет два скоса или ступеньку в виде буквы Г, что подразумевает принцип работы этого прибора на участке обратного лавинного пробоя, о чем мы поговорим позже
Название Диод Зенера происходит от имени американского ученого, который впервые открыл явление туннельного пробоя в полупроводниках.
Кларенс Мэлвин Зенер
Для своей работы стабилитрон как раз и использует эффект туннельного пробоя, или Эффект Зенера
Вольт амперная характеристика стабилитрона
Стабилитроны используются там, где необходимо зафиксировать напряжение на некотором стабильном уровне. В основном это цепи и блоки питания электронных приборов или их отдельных каскадов.
Основное свойство обычного диода — это способность проводить электрический ток только в одном направлении, то есть через диод течет ток, если его анод подключить к плюсу источника питания, а катод — к минусу. В этом случае через диод течет ток, который принято называть «Прямой ток через диод». Если диод подключить в обратном направлении, то есть анодом к минусу а катодом к плюсу источника питания, то, в случае с идеальным диодом, в такой цепи то протекать не будет. Диод будет «закрыт». Безусловно, идеальные диоды существуют только в теории, поэтому даже при обратном включении через диод протекает очень слабый ток, который называется «обратный ток». Но этот обратный ток в современных диодах пренебрежительно мал и его можно не принимать во внимание. Таким образом, обычный диод может «выпрямлять» переменный ток, то есть преобразовывать его в постоянный. Это основное назначение обычных диодов, которые также принято называть «выпрямительные диоды».
В отличие от выпрямительного диода, стабилитрон работает в схемах в обратном включении, то есть его катод подключается к плюсу источника, а анод — к минусу. При этом стабилитрон тоже не проводит электрический ток, но только пока напряжение источника питания меньше определенного порогового напряжения, которое называется «напряжение стабилизации». Это основной параметр стабилитрона. Это напряжение разное для разных типов стабилитронов.
Пример схемы использования стабилитрона в простейшем стабилизаторе напряжения на 12 вольт. Выходное напряжение равно напряжению стабилизации используемого стабилитрона. То есть, если например взять стабилитрон на напряжение 9V то на выходе получим 9 вольт.
Если подключить стабилитрон катодом к плюсу регулируемого источника питания через нагрузочный резистор сопротивлением несколько кОм и постепенно повышать напряжение, то в тот момент, когда напряжение источника превысит напряжение стабилизации стабилитрона, ток в такой цепи резко увеличится, а напряжение на стабилитроне больше не будет увеличиваться, даже если мы продолжим повышать напряжение источника питания. На рисунке ниже показан данный эксперимент со стабилитроном.
Измерение напряжения стабилизации стабилитрона
Из описанного принципа работы диода Зеннера понятно. что для проверки работоспособности этого компонента нам необходим источник питания с напряжением, которое было бы выше чем напряжение пробоя стабилитрона. Кроме того потребуется гасящий резистор и вольтметр.
В случае с низковольтными стабилитронами с напряжением пробоя от трех до 12 вольт проблем обычно не возникает, так как для проверки можно использовать лабораторный источник питания и вольтметр. источник питания на 12-15 вольт есть в наличии у любого радиолюбителя. Сложнее обстоит дело когда надо проверить высоковольтной стабилитрон или цепочку последовательно соединенных стабилитронов. В этом случает необходим источник сравнительно высокого напряжения, который бывает трудно найти сходу.
Как вариант, возникает идея использовать выпрямленное напряжение электросети, и это будет работать, но это плохая идея, так как это небезопасно и все равно вы будете привязаны к точке расположения электрической розетке.
Самый оптимальный вариант — использование небольшого простого преобразователя напряжения и аккумулятора. Тогда таким тестером можно будет пользоваться автономно в любом месте этого прекрасного мира).
Схема тестера стабилитронов
Схема тестера стабилитронов
Схема тестера — это фактически простой преодразователь напряжения. Поскольку у любого из нас в хозяйстве есть мультиметр, то для упрощения нашего прибора делаем его в виде приставки к мультметру. При желании вы можете сделать его автономным, снабдив встроенным цифровым вольтметром. Но в таком случае возрастает стоимость схемы. На самом деле необходимость проверки стабилитронов в нашей практике возникает не так уж часто, поэтому я не вижу смысла встраивать в него еще и вольтметр.
Генератор прямоугольных импульсов представляет собой мультивибратор на двух логических элементах U1.1 и U1.2. Микросхема CD4011 (К561ЛА7) cсодержит четыре логических элемента 2-И-НЕ, поэтому два оставшихся элемента используем в качестве буфера. Прямоугольные испульсы с вывода 11 микросхемы поступают на затвор MOSFET транзистора IRF740. Я использовал полевой транзистор, который был у меня под рукой. Теоретически можно использовать любой MOSFET с допустимым рабочим напряжением не менее 200 вольт.
Импульсы высогого напряжения выделяются на стоке транзистора за счет эффекта самоиндукции катушки L1. Высоковольтные импульсы заряжают электролитический конденсатор C2 через выпрямительный диод D1. Нагрузкой впрямителя на холостом ходу (то есть когда к выходу не подключен проверяемый стабилитрон) служит резистор R3 сопротивлением 47k. Стабилитрон подключается к преобразователю через резистор R4 сопротивлением 10к. При этом на стабилитроне будет напряжение, равное его напряжению стабилизации.
Напряжение питания прибора может быть от 5 до 15 вольт. Это обусловлено диапазоном питающих напряжений микросхемы CD4011. Чем выше напряжение питания, тем более высокое напряжения будет на выходе преобразователя. Я использовал обычную 9 вольтовую батарею типа «крона». При этом напряжение на выходе при холостом ходе было около 110 вольт, а ток потребления в районе 40 мА.
Катушка индуктивности — самодельная. Я намотал ее на ферритовой «гантельке» от какого-то старого импульсного блока питания.
Обмотка проводом диаметром 0.1мм до заполнения сердечника. Индуктивность катушки составила 5.5 mH
Конструкция прибора
Схема собрана на небольшой печатной плате, которую я развел в программе DipTrace
Плата была изготовлена механическим способом — гравировкой на станке с ЧПУ.
Корпус тестера я разработал в программе SolidWorks и напечатал на 3D принтере
В цепь питания прибора я добавил такую красную кнопку. Таким образом преобразователь включается только в момент измерения напряжения стабилизации стабилитрона.
Прядок работы с прибором:
-Подключаем к прибору источник питания, например батарею «крона»
-подключаем к прибору измеряемый стабилитрон и мультиметр в режиме измерения напряжения
-подключаем к прибору измеряемый стабилитрон и мультиметр в режиме измерения напряжения
-Нажимаем на красную кнопку и мультиметр показывает напряжение стабилизации стабилитрона.
С помощью прибора можно измерять напряжение стабилизации не только одиночного стабилитрона, но и цепочки стабилитронов, соединенных последовательно. Главное, чтобы суммарное напряжение всех стабилитронов было на несколько вольт меньше, чем напряжение на выходе преобразователя
Посмотрите видео об изготовлении этого прибора>>
Скачать проект печатной платы и 3D модели корпуса>>
Программа для расчета частоты мультивибратора для этой статьи>>
Статья про простые мультивибраторы на логических элементах>>