Широкое применение в электронике находят диоды специальной конструкции, типичная вольт-амперная характеристика которых приведена на рис. 1. Эти устройства носят название стабилитроны или диоды Зенера. Прямая ветвь ВАХ таких полупроводниковых приборов практически не отличается от прямой ветви ВАХ диодов. При обратном же напряжении ток через стабилитрон резко возрастает при превышении напряжением некоторого порога.
Рис. 1. Условные обозначения стабилитрона (слева — по ГОСТ)
и типичный вид его вольт-амперной характеристики
Упомянутое пороговое значение напряжения носит название напряжение стабилизации , а коэффициент наклона ВАХ при — дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Чаще всего стабилитрон используется в схемах параметрических стабилизаторов напряжения (рис. 2). В параметрическом стабилизаторе напряжения выходное напряжение снимается со стабилитрона, последовательно подключенного через сопротивление к источнику напряжения. При изменении напряжения источника рабочая точка стабилитрона смещается вверх по ВАХ (увеличивается ток через стабилитрон). При этом падение напряжения на стабилитроне изменяется незначительно, как это можно увидеть из рис. 2. Следует обратить внимание, что стабилитрон на рис. 2 включен в обратном направлении по отношению к показанному на рис. 1, и поэтому его рабочая точка находится фактически на обратной ветви ВАХ.
Рис. 2. Параметрический стабилизатор напряжения и принцип его работы
Применяя несложные геометрические соображения, легко показать, что изменения входного и выходного напряжений связаны соотношением:
,
где r — дифференциальное сопротивление стабилитрона, R — сопротивление подключенного последовательно резистора.
Отношение называют коэффициентом стабилизации. Для параметрического стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации равен отношению .
К другим важным параметрам стабилитрона относятся минимальный и максимальный токи стабилизации. При величине тока, протекающего через стабилитрон, меньшей, чем минимальный ток стабилизации Iмин, рабочая точка сходит с линейного участка его ВАХ, его дифференциальное сопротивление увеличивается, и его использование для стабилизации напряжения становится невозможным. Если же значение тока через стабилитрон превышает максимальный ток стабилизации Iмакс, в стабилитроне начинаются необратимые изменения, которые могут закончиться выходом его из строя.
Пример 1. Составить схему параметрического стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона КС156, имеющего следующие параметры: , , , при диапазоне изменения входного напряжения 30…50 В. Вычислить коэффициент стабилизации и диапазон изменения сопротивления нагрузки.
Решение. Выберем величину тока, протекающего через стабилитрон, на нижней границе диапазона значений входного напряжения, равной 20 мА. Эта величина существенно превышает минимальное значение тока стабилизации. Проведя нагрузочную прямую, соответствующую выбранной рабочей точке и входному напряжению 30 В (рис. 3), найдем значение сопротивления R в схеме, показанной на рис. 2: . При данном значении сопротивления R входное напряжение 50 В вызывает протекание через стабилитрон тока менее 40 мА (по рис. 3), что существенно меньше максимально допустимого
Рис. 3. Проектирование стабилизатора напряжения (пример 14.1)
значения тока стабилизации. Коэффициент стабилизации построенного стабилизатора должен составлять величину , т.е. при изменении входного напряжения на 20 В (весь диапазон возможных значений) выходное меняется на величину менее 1 В.
Поскольку при минимальном значении входного напряжения 30 В ток через стабилитрон имеет выбранное значение 20 мА, что существенно превышает минимальный ток стабилизации, от параметрического стабилизатора можно ответвить во внешнюю цепь ток до »15 мА. При этом через резистор по-прежнему будет протекать ток 20 мА, ток через стабилитрон будет равняться 5 мА. Току 15 мА при напряжении 5,6 В соответствует сопротивление нагрузки 370 Ом. Итак, сопротивление нагрузки разработанного стабилизатора может принимать значения от 370 Ом до бесконечности.
Другое применение стабилитрона — уменьшение изменяющегося во времени сигнала на фиксируемую величину (рис. 4).
Рис. 4. Понижение уровня сигнала на фиксируемую величину
Если входное напряжение меньше напряжения Uст, ток через стабилитрон отсутствует, и выходное напряжение равно нулю (интервал времени t1…t2 на рис. 4). В противном случае выходное напряжение меньше входного на величину Uст.
Описанную схему можно также рассматривать как пороговое устройство — как только входное напряжение превышает значение Uст, ток через резистор R принимает отличное от нуля значение.
Контрольные вопросы
1. Можно ли в стандартных выпрямительных схемах заменить диоды стабилитронами?
2. Какими свойствами обладает последовательное соединение стабилитронов (оба стабилитрона включены в одном направлении)?
3. Какими свойствами обладает параллельное соединение стабилитронов (стабилитроны включены в противоположных направлениях)?
4. Может ли напряжение стабилизации стабилитрона принимать отрицательное значение?
5. Какие действия следует предпринять, чтобы повысить коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения, не изменяя тип стабилитрона?
6. Найти падение напряжения на стабилитроне, через который протекает ток .
7. Какой выходной сигнал будет формироваться схемой, показанной на рис. 4, при использовании отрицательного входного сигнала?
, а коэффициент наклона ВАХ при 
— дифференциальное сопротивление стабилитрона.
,
называют коэффициентом стабилизации. Для параметрического стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации равен отношению 
.
, 
, 
, 
при диапазоне изменения входного напряжения 30…50 В. Вычислить коэффициент стабилизации и диапазон изменения сопротивления нагрузки.
. При данном значении сопротивления R входное напряжение 50 В вызывает протекание через стабилитрон тока менее 40 мА (по рис. 3), что существенно меньше максимально допустимого
, т.е. при изменении входного напряжения на 20 В (весь диапазон возможных значений) выходное меняется на величину менее 1 В.
.