Как определить напряжение стабилизации неизвестного стабилитрона

Как проверить напряжение стабилитрона?

Проверить исправность стабилитрона совсем несложно, он звонится как обычный диод, но иногда при сборке схем или ремонте аппаратуры возникает необходимость определить напряжение стабилитрона. Также бывают случаи, когда нужно подобрать из своих запасов стабилитрон, с определенным напряжением стабилизации. Для таких целей существуют специальные справочники или сайты, где по маркировке стабилитрона мы можем узнать абсолютно все его параметры. Но, что делать, если нет времени для поиска или частично затерта маркировка элемента, как проверить напряжение стабилитрона? Об этом читаем ниже…

Как проверить напряжение стабилитрона?

Как видим, данная схема проверки стабилитрона совсем нехитрая и ее можно собирать буквально за пару минут навесным монтажом.

Для этого нам понадобится:

• блок питания 16 — 18 В (для большинства стабилитронов такого блока питания будет достаточно);
• резистор на 1,5 – 2 кОм;
• мультиметр (цифровой или стрелочный вольтметр);
• проверяемый стабилитрон.

Для наглядного теста мы выбрали три стабилитрона: Д809; КС156А; КС147А, сейчас измерим их напряжение стабилизации. Собираем схему и подключаем поочередно стабилитроны, смотрим на полученный результат.

Д809 – напряжение стабилизации 9,44 В (по паспортным данным напряжение составляет 8 — 9,5 В)

КС156А – полученное напряжение стабилизации 5,48 В (по паспортным данным 5,04 – 6,16 В)

КС147А – напряжение стабилизации 4,77 В (по паспортным данным 4,23 – 5,17 В)

Как видим, вопрос о том, как проверить напряжение стабилитрона решается всего за пару минут и не требует сложных схем, особых навыков и специального оборудования.

Как проверить напряжение стабилизации стабилитрона

Полупроводниковый диод в электронике может выполнять множество функций — выпрямление, детектирование и суммирование сигналов, развязку электрических цепей и т.п. Но есть одна задача диода, которая стоит особняком – стабилизация напряжения, причем работает полупроводниковый прибор при этом в режиме обратного смещения. Лучше всего с такой задачей справляется такая разновидность диода, как стабилитрон (диод Зенера или, иногда, просто зенер).

Внешний вид и суть стабилитрона

Диод Зенера КС156А в различных вариантах корпуса

Внешне диод Зенера не отличается от обычного диода — металлический или стеклянный корпус с двумя выводами. Его устройство также не отличается от устройства любого диода – один p-n переход, заключенный в оболочку. Электрические параметры этого полупроводникового прибора также не имеют выходящих из стандарта значений.

Некоторые SMD-стабилитроны имеют три вывода, но один из них либо не используется, либо параллелен другому выводу.

Стабилитрон BZX84 в SMD-корпусе

Главной отличительной особенностью стабилитрона является нормированность некоторых характеристик, главные из которых – напряжение, при котором происходит лавинный пробой (Uстаб) и дифференциальное сопротивление.

Иными словами, на месте диода Зенера может работать любой диод. Но в коробке с тысячей экземпляров полупроводниковых приборов может не оказаться ни одного с нужным напряжением стабилизации, а если и удастся подобрать нужный экземпляр, то не факт, что его стабилизирующие свойства окажутся хотя бы удовлетворительными.

Как работает стабилитрон, сравнение с другими регуляторами напряжения

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Чтобы разобраться в принципе работы стабилитрона, надо рассмотреть его вольт-амперную характеристику (и она не отличается от ВАХ обычных диодов). При приложении прямого напряжения поведение кремниевого диода Зенера особенностей не имеет. Он откроется примерно при 0,6 вольтах и дальше ток будет расти с ростом напряжения.

Если приложить к выводам стабилитрона напряжение в обратном направлении, при определенном значении произойдет лавинный пробой (он носит обратимый характер). Ветвь ВАХ расположена довольно круто к оси абсцисс. Это значит, что при больших изменениях тока ΔI напряжение на стабилитроне будет меняться мало (ΔU). Это и есть стабилизация. Отношение ΔU/ΔI (котангенс угла наклона обратной ветви АЧХ) называется дифференциальным (или динамическим) сопротивлением, и оно характеризует стабилизирующие свойства прибора. Чем оно меньше, тем меньше изменение напряжения при изменении тока. В идеале угол наклона АЧХ равен 90 градусов и динамическое сопротивление равно нулю.

При дальнейшем повышении напряжения p-n переход может перейти в зону теплового (необратимого) пробоя и выйдет из строя.

Менее распространены, но занимают свою нишу стабисторы. Эти полупроводниковые приборы служат стабилизаторами напряжения при уровнях до 2 вольт и работают они на прямой ветви ВАХ.

Раньше, когда полупроводниковые приборы были не так доступны, в качестве источников образцового напряжения применялись стабиловольты – газоразрядные приборы. Их принцип действия основан на свойствах тлеющего разряда. теперь эти устройства практически вышли из употребления.

Классификация

Принципиально различных разновидностей стабилитрона всего два:

1. Обычный.
2. Двуханодный.

Второй тип полупроводникового прибора аналогичен двум обычным диода Зенера, включенным навстречу друг другу. При необходимости, такой стабилитрон и может быть заменен на два с соответствующим Uстаб.

В остальном классификация диодов Зенера носит только количественный характер:

• силовые стабилитроны (с повышенным током стабилизации);
• прецизионные (с меньшим разбросом по Uстаб);
• термокомпенсированные (с уменьшенной зависимостью параметров от температуры).

Также стабилитроны различаются по типу корпуса и массогабаритным показателям (обычно, чем мощнее прибор, тем он крупнее и массивнее).

Обозначение стабилитрона на схемах и чертежах

УГО обычного и двуханодного диодов Зенера

Условно-графическое обозначение стабилитрона похоже на УГО диода с небольшим добавлением (штрихом) со стороны катода. Двуханодный стабилитрон обозначается, как два встречно подключенных диода Зенера (без вывода катода).

Что важно учесть при выборе

Главным критерием выбора диода Зенера является, конечно, напряжение стабилизации. Если нет подходящего по этому параметру стабилитрона, остальные характеристики можно не рассматривать. Но если нужные приборы в наличии, надо выбирать стабилитрон по остальным критериям:

• наибольший допустимый ток – в основном, от стабилитронов большая мощность не требуется, за исключением параметрических стабилизаторов (без элементов умощнения);
• дифференциальное сопротивление – чем меньше, тем лучше.

Остальные параметры – температурную стабильность, коэффициент шума, массогабаритные показатели, тип корпуса и т.п. – можно выяснить в даташитах и справочниках.

Как определить вольтаж

У многих стабилитронов Uстаб «зашито» в его маркировку. Например:

• стабилитрон КС156 имеет напряжение стабилизации 5,6 вольт;
• КС133 – 3,3 вольта;
• BZV55-C4V3 – 4,3 вольта;
• BZX55-C2V7 – 2,7 вольта.

Проблема состоит в том, что далеко не все полупроводниковые приборы маркируются столь удобным способом. Например, обозначение Д814А не содержит в явном виде напряжения стабилизации (но по справочнику можно понять, что его напряжение составляет от 10 до 12 вольт). К тому же маркировка не всегда наносится на корпус в буквенно-цифровом виде (а иногда просто стирается). Часто маломощные стабилитроны обозначают цветовым кодом или кодом из двух-трех символов.

Но иногда производители ухитряются нанести напряжение стабилизации даже на малогабаритный стеклянный корпус.

Напряжение стабилизации этого прибора – 5,1 вольт

Поэтому в некоторых случаях требуется узнать фактическое Uстаб стабилитрона. Для этого надо собрать несложную схему.

Схема определения напряжения стабилизации

Для этого понадобятся:

(БП) с диапазоном, заведомо превышающим предполагаемое напряжение стабилитрона;
• вольтметр (например, в составе мультиметра);
• балластный резистор 0,5..3 кОм.

После сборки схемы регулятор напряжение источника питания надо поставить на минимум (по возможности на ноль) и включить источник. Плавно поднимая выходной уровень БП, надо контролировать напряжение на стабилитроне. Сначала оно будет расти вслед за увеличением выходного уровня источника питания. В определенный момент оно перестанет увеличиваться, несмотря на повышение напряжения на выходных клеммах БП. Это и будет искомое Uстаб.

Этот элемент имеет Uстаб, равное 8,3 вольта

Чтобы проверить стабилитрон на исправность, достаточно мультиметра. Диод Зенера прозванивается в обе стороны, подобно обычному диоду.

Правила и примеры включения в электрической цепи

Первое, что надо помнить при работе со стабилитроном – он всегда включается в обратной полярности по сравнению с обычным диодом. Ничего страшного не случится, если его включить и в прямой полярности, но и работать он тогда будет, как обычный диод. Последовательно со стабилитроном включают балласт (обычно резистор), чтобы излишек напряжения упал на нем.

Базовая схема включения представляет собой параметрический стабилизатор – последовательно включенные диод Зенера и балластный резистор. Параллельно полупроводниковому прибору можно подключить нагрузку, и уровень на ней будет оставаться стабильным при изменении потребляемого тока (в определенных пределах). Эта схема называется последовательным (или параметрическим) стабилизатором.

Базовая схема включения диода Зенера – параметрический стабилизатор

Для повышения напряжения стабилизации стабилитроны можно включать последовательно. Общее напряжение при этом суммируется. Так, при последовательном включении двух диодов Зенера напряжением по 5 вольт каждый, общее напряжение стабилизации получается равным 10 вольт.

При последовательном включении общее напряжение суммируется

Но нельзя включать стабилитроны параллельно («для повышения мощности»). Из-за неизбежного разброса параметров, у одного прибора Uстаб будет выше, чем у другого. И прибор с большим уровнем «утянет» второй прибор в зону теплового пробоя, что приведет к его выходу из строя.

Параллельно включать стабилитроны нельзя!

Чтобы повысить рабочий ток схемы стабилизации, к базовой схеме добавляется мощный транзистор. Стабилитрон задает постоянное напряжение на его базе.

Схема последовательного стабилизатора

При изменении тока транзистор приоткрывается или слегка закрывается, стабилизируя напряжение на нагрузке. Такая схема называется последовательным стабилизатором (транзистор включен последовательно с нагрузкой).

Простой генератор «белого» шума на диоде Зенера

Стабилитроны используются не только в качестве источников образцового напряжения. Иное применение – защита от несанкционированного повышения напряжения на нагрузке (барьер Зенера). В других схемах используется вредное, в целом, явление – стабилитрон генерирует шум при работе в обратносмещенном режиме. Обычно этот эффект купируют, для чего включают параллельно с диодом Зенера конденсатор. Но для некоторых целей это свойство стабилитрона используют для создания генераторов шума. В общем, применение этому распространенному и недорогому полупроводниковому прибору найдется всегда, и замены ему пока не видно.

Как работает стабилитрон

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-). Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое «стабильность». На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: 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.

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.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона — это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан — это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане — это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один — лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники — кувшин обладает «напряжением» больше, чем «напряжение» стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

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.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

Iпр — прямой ток, А

Uпр — прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр — обратное напряжение, В

Uст — номинальное напряжение стабилизации, В

Iст — номинальный ток стабилизации, А

Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax — максимальный ток стабилитрона, А

Imin — минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin — это сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит такая интересная штука, как пробой. Короче говоря, он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное — не переборщить силу тока, больше чем Imax , иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим, при котором сила тока через стабилитрон находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт. Выбирайте на ваш вкус и цвет.

Можете посмотреть видео на тему «КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)», рекомендую.

Как определить напряжение стабилитрона.

В последнее время становится все сложней и сложней определить, какой именно радиоэлемент вы держите в руках. Раньше проблемы создавали только полосатые резисторы, — цветную маркировку запомнить сложно. Но эту проблему можно решить заставив себя выучить цветную маркировку или, просто, определить сопротивление обычным омметром. Куда сложнее дела со стабилитронами. Похоже отечественные производители уже совсем забыли о каких-то стандартах по внешнему виду или обозначениях или, может быть, под названиями отечественных стабилитронов продаются импортные аналоги.
Вот простой пример: два популярных стабилитрона — КС211 и КС175 в малогабаритных стеклянных корпусах. Внешне их не определить, т.к. они абсолютно одинаковы, — маленький корпус, похожий на КД522, но только с одной узенькой черной полоской у одного края. В таких же корпусах сейчас встречаются и Д814 и множество других стабилитронов. С уверенностью можно сказать только то, что они малой мощности.
На некоторых импортных стабилитронах мелкими цифрами проставляется напряжение стабилизации, например, «11V» или «7V5», для нашего случая, но похоже, что эта надпись имеет одноразовые свойства, поскольку быстро осыпается, после чего остается голая стекляшка с выводами без всяких признаков полярности и маркировки.
Уверен, что с такими проблемами сталкиваются многие радиолюбители и ремонтники, поэтому, хочу поделиться одним простым способом определения и проверки исправности, полярности, любых маломощных стабилитронов, рассчитанных на стабилизацию до 25V.

Определить очень просто. Для этого потребуется лабораторный источник питания на 25V и токоограничитепьный резистор, который совместно с испытуемым стабилитроном образует параметрический стабилизатор, а так же, мультиметр (см. рис.),который переключают на предел 200V и к клеммам Х1 и Х2 подсоединяют выводы испытуемого стабилитрона.
Если его подсоединить правильно — анодом к Х1, а катодом к Х2, то мультиметр покажет его напряжение стабилизации, а если неправильно — какое-то малое напряжение, около нуля.
Если, при одном подключении, омметр показывает минимальное напряжение, а при другом — максимальное, равное напряжению источника питания, то испытуемый радиоэлемент либо простой диод, либо стабилитрон со стабилизацией более 25V. Если вы точно определили, что это именно стабилитрон, — нужно увеличить напряжение источника до предполагаемой величины и проверить еще раз.
Если минимальное напряжение в любом положении — то этот стабилитрон или диод пробит и непригоден. То же самое, если в обоих положениях полярности мультиметр показывает напряжение питания (как будто и ничего не подключали).
Если напряжение стабилизации показывает в любом подключении, значит, — это симметричный стабилитрон. Для удобства тестирования можно собрать простую насадку к мультиметру (см. рис.). Её втыкают в гнезда мультиметра, подключают источник питания, а стабилитроны выводами прикладывают к выступающим контактам.
Обычно, диапазон рабочего тока большинства маломощных стабилитронов лежит в пределах 1-10mА, поэтому сопротивления резистора R1 выбрано 2,2 кОм.
При проверке более мощных стабилитронов сопротивление, возможно, потребуется уменьшить.

Такой же способ годится и для проверки диодов и светодиодов (только полярность будет наоборот), удобен и тем, что дает возможность не только определить исправность диода и его полярность, но и прямое напряжение падения, что иногда очень важно.
Проверяя светодиоды,нужно помнить то, что некоторые из них, особенно импортные сверх-яркие, «не любят» большого обратного напряжения, поэтому, предварительно, выход источника снизьте до 8-10V.