Стабилитроны (зенеровские диоды)

обозначение стабилитрона
использование стабилитронов↓
Часто приходится иметь дело с электронными устройствами, в которых ток I  не пропорционален напряжению U; в подобных случаях нет смысла говорить о сопротивлении, так как отношение U /I не является постоянной величиной, независимой от U , а, наоборот, зависит от U . Для подобных устройств полезно знать наклон зависимости U‑I  (вольт‑амперной характеристики). Иными словами, представляет интерес отношение небольшого изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему: ΔU /ΔI  (или dU /dI). Это отношение измеряется в единицах сопротивления (в омах) и во многих расчетах играет роль сопротивления. Оно называется сопротивлением для малых сигналов, дифференциальным сопротивлением, динамическим или инкрементным сопротивлением.
В качестве примера рассмотрим стабилитрон, вольт‑амперная характеристика которого приведена на рисунке.
стабилитроны
вах стабилитрона
Вольт амперные характеристики. а – резистор (линейная зависимость); б – стабилитрон (нелинейная зависимость).
Стабилитроны используют для получения постоянного напряжения на каком‑либо участке схемы. Это достигается за счет тока (в грубом приближении постоянного), получаемого от источника большего напряжения в той же схеме. Например, стабилитрон, представленный на рисунке выше, преобразует питающий ток, изменяющийся в указанном диапазоне, в соответствующий (но более узкий) диапазон напряжений. Важно понять, как будет вести себя соответствующее напряжение на стабилитроне (напряжение пробоя) при изменении питающего тока, это изменение есть мера влияния изменений питающего тока. Оно характеризуется динамическим сопротивлением стабилитрона, определяемым при заданном токе (динамическое сопротивление стабилитрона в режиме стабилизации изменяется обратно пропорционально току). Например, динамическое сопротивление стабилитрона, создающего напряжение стабилизации 5 В, может быть равно 10 Ом при токе 10 мА.
Воспользовавшись определением динамического сопротивления, найдем, чему будет равно изменение напряжения при изменении питающего тока на 10 %:
 ΔU  = RдинΔI  = 10·0,1·0,001 = 10 мВ или ΔU /U  = 0,002 = 0,2 %.
Тем самым подтверждаются высокие стабилизирующие качества стабилитрона. На практике часто приходится иметь дело с такими схемами, как показано на рисунке
подключение стабилитрона
Регулятор на стабилитроне
Здесь ток, протекающий через стабилитрон и резистор, обусловлен имеющимся в той же схеме напряжением, большим чем напряжение стабилизации. При этом
 
I = (Uвх – Uвых )/R  и ΔI  = (ΔUвх  – ΔUвых )/R ,
тогда ΔUвых  = RдинΔI  = (Rдин /R )(ΔUвх  – ΔUвых )
и наконец, ΔUвых  = ΔUвxRдин /(R  + Rдин ).
 
Следовательно, по отношению к изменениям напряжения схема ведет себя как делитель напряжения, в котором стабилитрон заменен резистором, сопротивление которого равно динамическому сопротивлению диода при рабочем токе. Приведенный пример показывает, для чего нужен такой параметр, как динамическое сопротивление. Допустим, что в рассмотренной нами схеме входное напряжение изменяется в пределах от 15 до 20 В, а для получения стабильного источника напряжения 5,1 В используется стабилитрон типа 1NA733 (стабилитрон с напряжением 5,1 В и мощностью 1 Вт). Резистор сопротивлением 300 Ом обеспечит максимальный ток, равный 50 мА: (20 – 5,1)/300.
Оценим изменение выходного напряжения, зная, что максимальное сопротивление для выбранного диода составляет 7 Ом при токе 50 мА. В диапазоне изменения входного напряжения ток через стабилитрон изменяется от 50 мА до 33 мА; изменение тока на 17 мА вызывает изменение напряжения на выходе схемы, равное ΔU  = RдинΔI , или 0,12В. В реальных условиях стабилитрон обеспечивает наивысшую стабильность, если он питается от источника тока, у которого по определению Rдин =∞
(ток не зависит от напряжения). Но источник тока представляет собой достаточно сложное устройство, и поэтому на практике мы чаще всего удовлетворяемся простым резистором.