 |
Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы
|
|
|
|
Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы – приборы, предназначенные для фиксации напряжения на какой-либо нагрузке, например, резисторе, в определенных пределах при изменении напряжения в цепи.
Стабилитроны - приборы, работающие в режиме обратимого лавинного или туннельного пробоя при обратном смещении.
Стабисторы - приборы, работающие в режиме обычного диода при прямом смещении.
Вольт-амперные характеристики (зависимости силы тока I прчерез стабилитрон от напряжения U пр на нем), представлены на рис. 3.6.
Рабочим участком стабилитрона является участок на обратной ветви вольтамперной характеристики (рис. 3.5) в области напряжений, соответствующих обратимому пробою; стабистора – в области прямых смещений.
Рис. 3.5. ВАХ стабилитронов и стабистора
При минимальном значении напряжения пробоя ток прибора, ранее незначительный, начинает возрастать – наступает пробой p-n- перехода. Данное значение напряжения пробоя называется напряжением стабилизации U ст прибора. По мере дальнейшего увеличения тока, протекающего через стабилитрон, напряжение на стабилитроне практически не увеличивается (в реальности, по мере увеличения тока через стабилитрон напряжение на нем незначительно возрастает на доли вольта).
Величина напряжения стабилизации U ст конкретного стабилитрона зависит от температуры прибора. На рис. 3.5 пунктирными линиями показано смещение характеристик U ст(Т) при увеличении температуры: напряжение стабилизации U ст может незначительно уменьшаться или возрастать. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН определяется выражением
ТКН = (1/ U ст)D U cт/D T, %/ К. (3.4)
Иногда ТКН оценивают по выражению:
|
|
|
ТКН = D U cт/D T, мВ/К. (3.5)
Значение ТКН может быть как положительным (ТКН > 0), так и отрицательным (ТКН < 0). Знак ТКН зависит от ряда факторов, прежде всего, от характера (вида) пробоя (рис. 3.6, а).
а) б)
Рис. 3.6. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации (а) и УГО (б) стабилитрона
Упрощенная схема измерения характеристик стабилитрона и стабистора, их УГО представлена на рис. 3.6, б; 3.7. Указанные схемы фактически выполняют функции простейших параметрических стабилизаторов напряжения.
а) б) в)
Рис. 3.7. Схемы на стабилитроне (а), стабисторе (б), переходная характеристика (в)
Нагрузка R н всегда подключается параллельно стабилитрону (стабистору), поэтому напряжение на нагрузке U н равно напряжению на стабилитроне U ст. Это служит гарантией относительно постоянного напряжения на нагрузке при изменяющемся напряжении U вх на входе схемы. Ток I вх схемы, потребляемый от источника напряжением U вх, равен сумме токов стабилитрона (стабистора) I cт и нагрузки I н (I вх = I cт + I н). Разность напряжений U вх и стабилитрона (стабистора) U ст падает на балластном сопротивлении R б:
U ст = U вх - U б = U вх - I вх R б. (3.6)
Другими словами, балластный резистор принимает на себя часть избыточного напряжения (″сверх″ напряжения стабилизации).
Переходной характеристикой (рис. 3.7, в) схемы (не путать с ВАХ собственно, стабилитрона) называется зависимость напряжения на нагрузке U н = U вых (U вх) от напряжения на входе U вх. По мере увеличения напряжения на входе от 0 до напряжения стабилизации, напряжение на выходе растет, а затем U вых практически не изменяется. Это можно объяснить следующим образом. По мере роста напряжения на входе схемы U вх от нуля и выше, в области значений U обр < U cт(рис. 3.5), напряжение на стабилитроне (а также на параллельно включенной нагрузке Rн) монотонно растет (рис. 3.7, в; область 1). Это связано с тем, что из-за разницы между значениями сопротивления резистора R б и большого сопротивления обратно включенного стабилитрона в области напряжений до U ст(рис. 3.5). Т.е. пока стабилитрон не ″пробит″, практически все входное напряжение падает на нем.
|
|
|
Как только напряжение на входе практически достигает величины напряжения стабилизации U ст, в стабилитроне начинаются соответствующие процессы пробоя. Сопротивление p-n -перехода при этом резко уменьшается, что сопровождается увеличением тока через стабилитрон при незначительном увеличении напряжения на приборе (рис. 3.5). Даже если напряжение на входе U вх меняется в значительных пределах (U вх > U ст), то это не скажется на напряжении выхода, поскольку при пробое стабилитрона сопротивление его p-n -перехода мало по сравнению с сопротивлением R б и все входное напряжение U вх, за вычетом U ст, падает на ограничительном сопротивлении.
Таким образом, напряжение на стабилитроне (и нагрузке, если она включена) при протекании процессов пробоя остается практически постоянным, даже если на входе напряжение изменяется в широких пределах (рис. 3.7, в, область 2).
Величина напряжения стабилизации существенно зависит от температуры.
Напряжение туннельного пробоя находится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, поэтому с ростом температуры происходит уменьшение D Е з, сужение толщины барьера (при возрастании его высоты), увеличение вероятности туннелирования через барьер, и, соответственно, уменьшение напряжения стабилизации (рис. 3.5).
Напряжение лавинного пробоя связано с длиной свободного пробега и подвижностью носителей. При увеличении температуры увеличивается рассеивание носителей, уменьшается подвижность, носители не могут приобрести необходимую энергию для ионизации атомов, поэтому лавинный пробой начинается при большем напряжении (рис. 3.5).
Напряжения при тепловом пробое значительно больше, чем при лавинном и туннельном.
Дифференциальные сопротивление rd (несколько десятков Ом) и дифференциальная проводимость g d определяются следующим образом:
g d = 1/ rd = d I ст/d U ст (3.9)
или g d = 1/ rd = D I ст/D U ст .(3.10)
Маркировка стабилитрона (стабистора) включает следующие элементы: материал полупроводника (К - кремний); обозначение подкласса (буква С); цифру, указывающую на мощность; две цифры, указывающие напряжение стабилизации, и букву, характеризующую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А (в металлическом корпусе) соответствует маломощному стабилитрону с током стабилизации менее 0,3 А и напряжением стабилизации 6,8 В.
|
|
|
Описание стенда
Универсальный стенд ЭС1А/2 имеет внешнюю панель, мнемосхема которой представлена на рис. 3.8.
Путем замены центральной части панели, на которой изображена мнемосхема конкретной исследуемой схемы, можно производить исследование стабилизаторов различного типа, например, параметрического стабилизатора.
Рис. 3.8. Схема блока стабилизаторов
Стенд (рис. 3.8) включает в себя приборы, с помощью которых возможно измерение параметров постоянных напряжений (потенциалов) и токов в различных ветвях схемы, осциллограф.
На лицевой панели прибора расположены различные тумблеры и регуляторы, в том числе:
– тумблер ²Сеть²;
– тумблер ²В2² для подключения различных видов входного напряжения: сглаженного или пульсирующего;
– тумблер ²В3² для подключения нагрузки;
– ручка регулировки входного напряжения ² U 0²(U 0 ≡ U вх);
– ручка регулировки тока нагрузки ² I н²;
– ручка регулировки величины гасящего (балластного) R б сопротивления в параметрическом стабилизаторе ² R г² (R г≡ R б);
– ручка регулировки величины сопротивления омического делителя в мостовом стабилизаторе ² R ²;
– ручка регулировки величины сопротивления сравнивающего делителя в компенсационных стабилизаторах ² U ст3², ² U ст4²;
– ручка регулировки величины балластного сопротивления в компенсационном стабилизаторе ² R б²;
– гнезда ²1-26² и ² Um ² для измерения напряжений и просмотра осциллограмм в характерных точках исследуемых схем;
– вольтметр ² U 0² для измерения входного напряжения (U 0 ≡ U вх);
– миллиамперметр ² I 0² для измерения входного тока (I 0 ≡ I вх);
– миллиамперметр ² I cт, I э² для измерения тока стабилизации в параметрических стабилизаторах и тока эмиттера регулирующего транзистора в компенсационном стабилизаторе с параллельным включением регулирующего элемента;
|
|
|
– вольтметр ² Um ² для измерения напряжений в характерных точках;
– миллиамперметр ² I н² для измерения тока нагрузки;
– вольтметр ² U н² для измерения напряжения нагрузки;
Упрощенная схема измерения характеристик стабилитрона представлена на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Схема исследования стабилитрона
Согласно схеме от источника цепи постоянного тока напряжение входа U вх подается на ограничительное сопротивление R б и на стабилитрон VD. Если на p-область прибора подается ″–″, то стабилитрон включается в обратном направлении.
Подготовка к работе
Лабораторная работа относится к темам: ² P-n -переход², ″Реальные диоды″, ″Стабилитроны″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).
В "заготовке" к работе следует описать:
– строение, схему замещения, вольтамперные характеристики стабилитронов;
– график влияния температуры на напряжение стабилизации;
– соотношения для расчета rd, g d, TKН;
– схемы для исследования стабилитронов и параметрического стабилизатора;
– особенности маркировки и применение стабилитронов;
Параметры исследуемых стабилитронов определить по справочнику (таблица 1).
Таблица 1
| Параметры | Д815Б | Д817E |
| Значения | ||
| Напряжение стабилизации U ст | ||
| ТКН | ||
| I cт. мин | ||
| I cт. макс | ||
| Рассеиваемая мощность W |
|
|
|
