Греется стабилитрон

Вот уж что действительно может вывести из себя, так это когда видишь, как стабилитрон на плате начинает неприлично греться. Многие сразу думают: ?Ну, работает же, напряжение стабилизирует, вот и греется?. И это, пожалуй, самое распространённое и опасное заблуждение. На самом деле, нормально работающий стабилитрон в типовом режиме стабилизации тока через него — должен быть лишь слегка тёплым. Если он горячий — это не признак работы, а крик о помощи схемы.

Почему греется — неочевидные причины

Чаще всего причина кроется не в самом стабилитроне, а в том, что через него начинает течь ток, значительно превышающий расчётный. Допустим, стабилитрон на 5.1В, рассчитанный на 1.3Вт. По классике, его ставят в качестве опорного напряжения или для защиты входа микросхемы. Но если из-за неисправности предыдущего каскада на него вдруг подаётся не 12В, а скажем, 24В, и ограничительный резистор подобран под первое значение — ток резко вырастет, мощность рассеивания взлетит, и вот он уже пышет жаром. Проверять надо не только его, но и всё, что стоит до него.

Бывает и обратная, более коварная история — пробой. Стабилитрон может ?превратиться? в обычный диод с малым падением напряжения. В этом случае на нём будет рассеиваться почти вся подведённая мощность, что быстро приводит к перегреву и тепловому разрушению. Проверить это можно, сняв его с платы и прозвонив в обоих направлениях — при пробое он будет звониться как диод или даже как короткое замыкание в обоих направлениях.

И ещё один момент, о котором часто забывают — импульсный режим. В схемах с коммутационными процессами, например, в первичных цепях импульсных блоков питания, через стабилитрон могут протекать короткие, но очень мощные импульсные токи. Средняя мощность может быть в норме, но пиковая — запредельной. Это приводит к локальному перегреву кристалла и деградации, которая со временем выльется в полный отказ. Тут без осциллографа не разобраться.

Личный опыт и ?обожжённые пальцы?

Помню один случай на ремонте промышленного контроллера. Сетевой блок питания, на выходе +24В. После скачка напряжения в сети перестал работать. Вскрыл — стабилитрон на шине 15В (обычный 1N4744A) был тёмный, с потрескавшимся корпусом. Замена на аналогичный — и через пару минут он снова горячий. Стал смотреть глубже. Оказалось, что сгорел не только он, но и слюдяная прокладка под силовым транзистором ключевого преобразователя. Транзистор ?сел? на корпус, и на шину 15В, которая питалась от вспомогательной обмотки, пошла помеха с огромными выбросами. Стабилитрон героически пытался их ограничить и сгорал. Проблема была системной.

Или другой пример, уже из области проектирования. Разрабатывали схему защиты входа АЦП от перенапряжения. Поставили быстродействующий TVS-диод и для точного ограничения — прецизионный стабилитрон последовательно. Всё смоделировали, рассчитали. На макете — работает. А в первой же полевой испытательной партии несколько плат вышли из строя. Разбираем — стабилитрон оплавлен. Причина? В реальных условиях наводки были мощнее и длиннее, энергия, которую нужно было поглотить, превысила возможности не только TVS, но и стабилитрона. Пришлось пересматривать всю энергетику защитного каскада, ставить более мощные компоненты и дополнительный резистор для ограничения тока. Урок: симуляция — это хорошо, но запас по току и мощности в защитных цепях должен быть минимум двукратный, а то и больше.

Выбор компонента: почему важен не только Vz

Когда подбираешь стабилитрон на замену, смотреть только на напряжение стабилизации (Vz) — путь в никуда. Первое — это мощность рассеивания (Pd). Если родной был на 1Вт, а вы поставите на 0.5Вт — он, возможно, будет работать, но любой скачок напряжения отправит его в лучший мир с перегревом. Второе — температурный коэффициент. Для прецизионных схем это критично. Стабилитроны на 5.6В имеют близкий к нулю ТКН, а, например, на 3В или 9В — могут быть весьма чувствительны к температуре. В нагревающейся точке платы это приведёт к дрейфу опорного напряжения.

Третье, и крайне важное для силовых и импульсных схем — динамическое сопротивление (Zzt). Оно показывает, насколько сильно меняется напряжение на стабилитроне при изменении тока через него. Низкое Zzt — признак качественного стабилитрона. В каталогах серьёзных производителей этот параметр всегда указан. Кстати, если говорить о производителях, то для ответственных применений мы часто обращаемся к проверенным поставщикам, которые контролируют весь технологический цикл. Например, компания OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий (сайт https://www.wfdz.ru), которая специализируется на производстве полупроводниковых приборов, включая стабилитроны. Их подход, с акцентом на разработку собственных технологических процессов, как правило, гарантирует хорошую повторяемость параметров от партии к партии, что для стабилитронов, используемых в качестве опорных элементов, архиважно.

И последнее — тип корпуса. Маленький стеклянный диод DO-35 греется и остывает быстро, но и тепловую нагрузку держит плохо. Пластиковый или металлический корпус (например, DO-41, DO-201) имеет лучший отвод тепла. Если в схеме предусмотрено, что стабилитрон может рассеивать значительную мощность (например, в цепях защиты), то его нужно либо выбирать в соответствующем корпусе, либо предусматривать теплоотвод, либо — что чаще правильнее — пересматривать схему, чтобы уменьшить рассеиваемую на нём мощность.

Практические шаги диагностики

Итак, вы видите горячий стабилитрон. Алгоритм может быть таким. Первое — обесточить плату и дать остыть. Второе — визуальный осмотр: сколы, трещины, потемнения. Третье — прозвонка мультиметром в режиме диода в обе стороны. Нормальный стабилитрон должен вести себя как диод в одном направлении (показывать падение 0.5-0.7В), а в другом — не звониться (очень высокое сопротивление). Любые другие показания — подозрительны.

Четвёртое — проверка в схеме. Это уже под напряжением. Нужно измерить напряжение на самом стабилитроне. Оно должно быть близко к номинальному Vz (плюс-минус 5%). Если напряжение сильно ниже — вероятен пробой. Если напряжение в норме, но он греется — значит, через него течёт слишком большой ток. Нужно измерить падение напряжения на ограничительном (балластном) резисторе, который обычно стоит последовательно со стабилитроном, и по закону Ома вычислить ток. Сравнить с максимальным допустимым током из даташита (Iz max или Imax).

Если ток завышен — ищем причину: проверяем номинал этого резистора (он мог вырасти или уменьшиться), смотрим напряжение до резистора (не повысилось ли), проверяем нагрузку, которую стабилитрон стабилизирует (нет ли там короткого замыкания или слишком большого потребления). Иногда помогает простое временное отключение нагрузки — если нагрузить стабилитрон, и он перестал греться, значит, проблема в нагрузке.

Профилактика и проектные решения

Чтобы не бороться с последствиями, нужно правильно проектировать. Для стабилитрона, работающего в непрерывном режиме, расчёт мощности прост: P = (Uвх — Uст) * Iст. Но Uвх нужно брать не номинальное, а максимально возможное в системе. Iст — это не только ток нагрузки, но и собственный минимальный ток стабилизации стабилитрона. Запас по мощности — минимум 30%, а для сетевых устройств или automotive — все 50-100%.

В цепях защиты от перенапряжения (например, на входах чувствительных цепей) часто используют тандем из варистора (для поглощения основной энергии высоковольтного импульса) и стабилитрона/TVS-диода (для точного ограничения). Это разгружает последний и предотвращает его перегрев и отказ. Кстати, в ассортименте того же OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий есть как классические стабилитроны, так и TVS-диоды, что позволяет подбирать согласованную пару защитных элементов из одного источника, с предсказуемыми характеристиками.

И ещё один совет по монтажу. Если стабилитрон по расчётам будет работать на пределе по температуре, не стоит располагать его вплотную к другим греющимся элементам — электролитическим конденсаторам, силовым резисторам, микросхемам. Лучше вынести его на более свободное место платы, возможно, даже приподнять выводы над платой для лучшего обдува, если корпус позволяет. Тепло — главный враг надёжности полупроводника.

Заключительные мысли

Горячий стабилитрон — это почти всегда симптом. Симптом неправильного режима работы, неправильного выбора компонента или более глубокой неисправности в схеме. Бороться с симптомом, просто меняя его на более мощный, — дело неблагодарное. Можно временно решить проблему, но причина останется и может ?выстрелить? в другом, более дорогом месте. Нужно искать корень: считать токи, проверять смежные элементы, анализировать реальные, а не идеальные условия работы.

Работа с такими компонентами, как стабилитроны, требует понимания их физики и внимания к деталям в даташитах. И, конечно, опыта. Опыта, который состоит из множества таких вот ?горячих? случаев, после которых уже с первого взгляда на схему начинаешь видеть её потенциально слабые места. Это тот самый практический навык, который отличает инженера от сборщика.