Стабилитрон: опорное напряжение и защита

Захотелось мерить напряжение автомобильного аккумулятора — 12,6 В на клеммах — и я собрал делитель из урока про делитель напряжения: 30 и 10 кОм, на входе АЦП четвёртая часть. Схема работала, пока однажды перемычка с плюса не соскользнула мимо резистора: все 12,6 В пошли прямо на A0. Вход не хлопнул, не задымил — он просто начал врать, и следующую неделю я разбирался, почему фоторезистор на соседнем канале показывает ерунду. Делитель защищает от расчётного напряжения, а не от дрогнувшей руки.

Вторая линия обороны — стабилитрон: внешне тот же корпус с полоской из урока про диод и полярность, но включён наоборот и работает наоборот. Обычный диод обратное напряжение запирает и терпит до паспортного потолка; стабилитрон сконструирован так, чтобы в обратном включении открываться на строго заданном напряжении и держать его на себе. До порога он прозрачен, за порогом — глотает лишнее.

Здесь разберём его в двух ролях: источник опорного напряжения для малых цепей и страховка входа АЦП. Посчитаем балластный резистор по закону Ома, сверимся с таблицей ходовых корпусов и соберём вольтметр на 0-15 В, который переживает даже прямое 12 В на входе.

Обычный диод в обратном включении — замок: ток практически нулевой, и всё хорошо ровно до обратного напряжения из паспорта, после которого деталь умирает. У выпрямительного 1N4007 порог — 1000 В, в учебных схемах он недостижим. У стабилитрона порог спущен специально — 3,3, 5,1 или 9,1 В у ходовых корпусов ваттной серии 1N47xx — и колено кривой тока сделано крутым и ровным: пока ток течёт в разрешённой полосе, напряжение на стабилитроне стоит как приклеенное. У 1N4733A это 5,1 В с допуском пять процентов.

Схема простейшего стабилизатора из трёх деталей: вход, балластный резистор и сам стабилитрон — катодом к плюсу, анодом на GND; потребитель снимает напряжение прямо с него. Балласт гасит разницу между входом и порогом, стабилитрон держит эталон. Пока нагрузка тихая, весь излишек тока уходит через стабилитрон; нагрузка подросла — через него пошло меньше. Ваттный корпус при 5,1 В переживает примерно сто пятьдесят миллиампер своего тока: для опорных цепей и индикаторного светодиода хватает с запасом, для моторов нет.

Балласт считается одной строкой по закону Ома из урока про расчёт токов: R = (Uвх − Uст) / I. Крона 9 В, порог 5,1 В, рабочий ток берём 20 мА: (9 − 5,1) / 0,02 = 195 Ом. Ближайший ходовой номинал — 220 Ом: ток встанет около 17,7 мА, а минимальный ток стабилизации у 1N4733A — около миллиампера, так что запас здоровый. Мощность на балласте — 3,9 В на 17,7 мА — примерно 70 мВт: обычный бочонок 0,25 Вт даже не потеплеет. Номиналы по цветовым полосам я читал в уроке про цветовой код резисторов.

Оговорка про нагрузку: расчёт выше — для тихого потребителя вроде входа АЦП или опоры. Если от узла питается что-то на десятки миллиампер, её ток входит в ту же формулу: R = (Uвх − Uст) / (Ист + Ин), и считать надо на максимальной нагрузке, иначе на пиках напряжение провалится. Ещё одно честное свойство: при крошечных токах — доли миллиампера — реальное напряжение зажима уходит ниже паспортного. Для защиты это не дефект, а бонус: чем меньше тока, тем мягче деталь давит лишнее.

Схема вольтметра на 0-15 В собирается из уже знакомых частей. Делитель 30к/10к пускает на A0 четвёртую часть: 12,6 В превращаются в 3,15 В — комфортно для АЦП. Стабилитрон 1N4733A ставится параллельно нижнему плечу: анод на GND, катод к точке между резисторами, туда же идёт провод к A0. В норме, ниже 5,1 В, он прозрачен и измерению не мешает: через него текут микроамперы. Если рука дрогнула и на вход попали 12,6 В напрямую, узел пытается уехать выше порога — стабилитрон открывается, а верхнее плечо делителя внезапно превращается в токоограничитель: лишние 7,5 В на 30 кОм дают четверть миллиампера тока пробоя. Вход живёт, АЦП насыщается до 1023, и скетч по этому признаку печатает предупреждение.

Честность про пределы: колено у дешёвого стабилитрона мягкое, и самые быстрые иголки он не успевает срезать — для этого промышленность делает TVS-диоды с реакцией на пикосекундах. При 4 В на входе стабилитрон уже слегка подкапывает, поэтому измерения у самого потолка он чуть искажает. Для учебной макетки и медленного АЦП Uno это приемлемая плата за копеечную страховку. Моё мнение жёсткое: на любом входе, куда теоретически могут воткнуть 12 В, стабилитрон должен стоять по умолчанию.

Если ставите стабилитрон на вход без делителя — резистор в разрыве обязателен всё равно: без балласта ток пробоя ничем не ограничен, и ваттный корпус быстро превращается в дымный. Минимум — сотня Ом, лучше считать по току своего источника.

Как проверить корпус из коробки: прозвонкой мультиметра из урока про напряжение, ток и прозвонку — в прямую сторону он покажет обычные 0,6-0,7 В, потому что внутри честный диодный переход. А вот пробой прозвонкой не увидеть: напряжения прибора не хватает. Нужен стенд: резистор 470 Ом от 12 В на катод, анод на GND, вольтметр параллельно стабилитрону — прибор должен показать около 5,1 В, и это главный тест на годность.

Для точных измерений у стабилитрона есть слабость — температурный дрейф и допуск пять процентов: 5,1 В на одном корпусе легко оказываются 4,85 В на соседнем. Как эталон для защиты — отлично, как калиброванный источник — нет: когда понадобится честная опора для АЦП, придёт внешний референс-чип, но это уже отдельная история с отдельным даташитом.