Что такое варистор и стабилитрон? Чем отличается стабилитрон от варистора?

Варистор (от английского слова varistor, сокращение от variable resistor — переменный резистор) — это полупроводниковый элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. 

Варисторы широко используются для защиты электронных цепей от перенапряжений и пиковых напряжений.

Основные характеристики и свойства варисторов:

1. Нелинейное сопротивление: Варисторы имеют сильно нелинейную ВАХ (вольт-амперную характеристику). При низких напряжениях их сопротивление велико, а при превышении определенного порога напряжения их сопротивление резко падает, что позволяет им эффективно поглощать избыточную энергию.

2. Материалы: Варисторы обычно изготавливаются из оксида цинка (ZnO) или карбида кремния (SiC). Оксид цинка — наиболее распространенный материал, используемый в современных варисторах.

3. Применение: Варисторы используются для защиты электрических и электронных устройств от импульсных перенапряжений, вызванных, например, грозовыми разрядами или переключениями в электросетях. Они часто устанавливаются в цепях питания, телекоммуникационных линиях и других устройствах, где требуется защита от скачков напряжения.

4. Рабочий принцип: В нормальных условиях варистор имеет высокое сопротивление и не влияет на работу цепи. При возникновении перенапряжения сопротивление варистора резко падает, и он начинает пропускать через себя большой ток, тем самым ограничивая напряжение до безопасного уровня.

Вот пример нелинейной вольт-амперной характеристики (ВАХ) варистора.

На графике видно, как варистор ведет себя при разных уровнях напряжения:

1. При низких напряжениях (близких к нулю) варистор имеет очень высокое сопротивление, и ток практически не протекает через него.
2. При средних напряжениях (примерно от -50 В до 50 В) сопротивление варистора умеренно, что показывает небольшую проводимость.
3. При высоких напряжениях (выше 320 В или ниже -320 В) сопротивление резко падает, и варистор начинает пропускать значительный ток, что позволяет ему поглощать избыточную энергию и защищать цепь от перенапряжений.

Этот график иллюстрирует способность варистора изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения, защищая электронные схемы от скачков напряжения.

Преимущества варисторов включают простоту конструкции, высокую скорость отклика и способность поглощать значительные энергии без разрушения. Однако они имеют и свои ограничения, такие как ограниченный ресурс по числу воздействий и определенное время восстановления после срабатывания.

Что такое стабилитрон? Какое отличие стабилитрона от вариастора?

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, который используется для стабилизации напряжения. Его основной характеристикой является способность поддерживать постоянное напряжение на своих выводах при изменении протекающего через него тока в определённом диапазоне. Стабилитроны также известны как Zener-диоды в честь американского физика Кларенса Ценера, который исследовал явление пробоя в полупроводниках.

Основные характеристики и свойства стабилитронов:

1. Пробойная характеристика: Стабилитрон работает в обратном смещении и имеет четко определенное напряжение пробоя (Zener-напражение), при котором он начинает проводить ток. Это напряжение остается практически постоянным при изменении тока через диод, что позволяет использовать его для стабилизации напряжения в цепи.

2. Материалы и конструкции: Стабилитроны изготавливаются из кремния. Они имеют структуру p-n-перехода, настроенного на определенное пробойное напряжение.

3. Применение: Стабилитроны используются в схемах стабилизации напряжения, защиты цепей, опорных источниках напряжения и различных электронных устройствах, требующих стабильного напряжения питания.

4. Рабочий принцип: При прямом смещении стабилитрон работает как обычный диод. При обратном смещении, если напряжение превышает определенное значение (напряжение пробоя), стабилитрон начинает пропускать ток, удерживая напряжение на своих выводах практически постоянным.

Вот пример вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона.

На графике видно, как стабилитрон ведет себя при различных уровнях напряжения:

1. Прямое смещение (положительные напряжения): Стабилитрон ведет себя как обычный диод, пропуская ток при низких положительных напряжениях. Ток линейно растет с увеличением напряжения.
2. Обратное смещение до напряжения пробоя (от 0 до -5.1 В): В этой области стабилитрон имеет очень высокое сопротивление, и ток практически не протекает через него.
3. Обратное смещение при напряжении пробоя (ниже -5.1 В): При достижении напряжения пробоя (например, -5.1 В для данного примера) стабилитрон начинает проводить ток в обратном направлении, поддерживая напряжение практически постоянным. Ток в этой области резко возрастает с увеличением обратного напряжения.

Этот график иллюстрирует способность стабилитрона поддерживать постоянное напряжение при изменении тока, что позволяет использовать его для стабилизации напряжения в электронных схемах.

Стабилитрон — это то же самое, что и диод Зенера. Эти термины часто используются как синонимы.

Как включается в цепь диод Зенера?

Диод Зенера включается в цепь в обратном смещении для стабилизации напряжения. Это означает, что его катод подключается к положительной стороне источника напряжения, а анод к отрицательной стороне (или к земле). Основная цель такого включения — поддержание постоянного напряжения на нагрузке при изменениях входного напряжения.

Основные шаги для включения диода Зенера в цепь:

1. Определение номинального напряжения стабилизации: Выберите диод Зенера (VD) с напряжением пробоя, соответствующим желаемому стабилизированному напряжению (U_Z).

2. Подключение резистора: Включите резистор (R) последовательно с диодом Зенера для ограничения тока через диод. Резистор защищает диод от избыточного тока, который может его повредить.

3. Подключение к источнику напряжения:

   • Катод диода Зенера подключается к положительной стороне источника напряжения (U_in).
   • Анод диода Зенера подключается к отрицательной стороне (или к земле).

4. Подключение нагрузки: Нагрузка подключается параллельно диоду Зенера, чтобы стабилизированное напряжение подавалось на нее.

Пример схемы с диодом Зенера:

Принцип работы:

• При входном напряжении ниже напряжения пробоя (U_Z): Диод Зенера практически не проводит ток, и выходное напряжение (U_out) будет примерно равно входному напряжению за вычетом падения напряжения на резисторе.
• При входном напряжении, превышающем напряжение пробоя (U_Z): Диод Зенера начинает проводить ток, поддерживая напряжение на своих выводах равным напряжению пробоя (U_Z). Вся избыточная энергия рассеивается через резистор и диод Зенера, обеспечивая стабильное выходное напряжение (U_out = U_Z).

Таким образом, диод Зенера обеспечивает стабильное напряжение на нагрузке, несмотря на колебания входного напряжения или изменения в нагрузке.

Отличия варистора и стабилитрона:

1. Назначение:

   • Варистор: Используется для защиты цепей от перенапряжений и пиковых напряжений.
   • Стабилитрон: Используется для стабилизации напряжения в цепи.

2. Рабочий принцип:

   • Варистор: Обладает нелинейным сопротивлением, которое уменьшается при увеличении напряжения, защищая цепь от перенапряжений.
   • Стабилитрон: Имеет определенное пробойное напряжение, при котором начинает проводить ток в обратном направлении, поддерживая постоянное напряжение на своих выводах.

3. Использование в цепи:

   • Варистор: Включается параллельно защищаемой цепи. При нормальных условиях не влияет на работу цепи, а при перенапряжении начинает проводить ток.
   • Стабилитрон: Включается параллельно нагрузке, чтобы стабилизировать напряжение. При превышении пробойного напряжения начинает проводить ток, удерживая напряжение постоянным.

Примеры варисторов

1. MOV (Metal Oxide Varistor) - Варистор на основе оксида металла

   • Параметры:
     • Напряжение переменного тока (AC): 130 В
     • Напряжение постоянного тока (DC): 175 В
     • Максимальный импульсный ток: 6500 А (8/20 µs)
     • Энергия: 220 Дж (2 ms)
   • Применение: Защита от перенапряжений в сетевых фильтрах, защитных модулях и распределительных устройствах.

2. S20K275 - Варистор с номинальным напряжением 275 В

   • Параметры:
     • Напряжение переменного тока (AC): 275 В
     • Напряжение постоянного тока (DC): 350 В
     • Максимальный импульсный ток: 6500 А (8/20 µs)
     • Энергия: 150 Дж (2 ms)
   • Применение: Защита бытовых приборов и телекоммуникационного оборудования.

3. V20E320P - Варистор с номинальным напряжением 320 В

   • Параметры:
     • Напряжение переменного тока (AC): 320 В
     • Напряжение постоянного тока (DC): 420 В
     • Максимальный импульсный ток: 6000 А (8/20 µs)
     • Энергия: 190 Дж (2 ms)
   • Применение: Защита промышленных электрических систем.

Примеры стабилитронов

1. 1N4733A - Стабилитрон с номинальным напряжением 5.1 В

   • Параметры:
     • Номинальное напряжение: 5.1 В
     • Мощность: 1 Вт
     • Допуск напряжения: ±5%
     • Ток при пробое: 49 мА
   • Применение: Стабилизация напряжения в маломощных схемах, защита от перенапряжения.

2. BZX79C12 - Стабилитрон с номинальным напряжением 12 В

   • Параметры:
     • Номинальное напряжение: 12 В
     • Мощность: 0.5 Вт
     • Допуск напряжения: ±5%
     • Ток при пробое: 5 мА
   • Применение: Стабилизация напряжения в различных электронных устройствах, схемы защиты.

3. 1N5349B - Стабилитрон с номинальным напряжением 12 В

   • Параметры:
     • Номинальное напряжение: 12 В
     • Мощность: 5 Вт
     • Допуск напряжения: ±5%
     • Ток при пробое: 25 мА
   • Применение: Высокомощные стабилизаторы напряжения, источники питания, защитные цепи.

Сравнение характеристик

• Варисторы:

  • Предназначены для защиты от перенапряжений.
  • Работают в условиях кратковременных импульсов напряжения.
  • Сопротивление уменьшается при увеличении напряжения.

• Стабилитроны:

• Предназначены для стабилизации постоянного напряжения.
• Работают в режиме обратного смещения при определенном пробойном напряжении.
• Поддерживают стабильное напряжение при изменении тока.

Таким образом, варисторы и стабилитроны имеют разные цели и применяются в различных ситуациях: варисторы — для защиты от перенапряжений, а стабилитроны — для стабилизации напряжения.