Изучаем работу стабилитрона. Стабилитрон: подробно простым языком Стабилитроны параллельно

Является разновидностью диода, но имеет уникальное свойство – при обратном включении он открывается при определенном, строго заданном напряжении и начинает пропускать ток. Пока этот ток лежит в определенном пределе, на стабилитроне устанавливается постоянное напряжение. Это позволяет использовать стабилитроны для получения стабильного напряжения, которое необходимо для питания очень многих электронных устройств.

Итак, в нашем распоряжении стабилитрон, к примеру, КС156, набор резисторов и источник постоянного напряжения, величину которого можно регулировать в диапазоне 0…12 В. Соберем следующую схему:

Выкручиваем ручку регулировки блока питания в «0» и подключаем к нему нашу схему, соблюдая полярность. Напряжение на стабилитроне равно нулю, ток через него, ясное дело, тоже не течет. Начинаем увеличивать напряжение. 2 В, затем 3 В. Тока через стабилитрон все еще нет. Продолжаем увеличивать и замечаем, что ток появился – наш стабилитрон открылся.

При дальнейшем повороте ручки ток продолжает расти, напряжение на стабилитроне остается неизменным (в нашем случае – 5.6 В). Увеличиваем еще напряжение и в какой-то момент времени ток исчезает, напряжение на стабилитроне скачком поднимается до напряжения блока питания – наш стабилитрон пробит окончательно и бесповоротно или, как говорят, «сгорел». Стабилитрона мы лишились, но в нашем распоряжении есть полезная информация которую и рассмотрим:

Iст.мин – ток стабилизации минимальный. Минимальный ток, при котором напряжение на стабилитроне перестало расти (прибор вошел в режим стабилизации)
Iст.макс – максимально допустимый ток через стабилитрон. Ток, при котором стабилитрон еще работает, но если его увеличить, прибор сгорит.
Uст – напряжение стабилизации. Напряжение на стабилитроне, которое остается неизменным, пока через стабилитрон течет ток в диапазоне Iст.мин … Iст.макс.

Все эти данные мы получили ценой жизни пусть несложного и недорогого, но прибора. Тем не менее, их совсем несложно получить из справочной литературы, зная тип стабилитрона. Открываем справочник по стабилитронам и смотрим:

КС456А:
Iст.мин – 1 мА;
Iст.макс – 139 мА;
Uст — 5.6 В;
Iст.ном – 30 мА.

У нас даже появилась дополнительная информация: Iст.ном — номинальный ток стабилизации. Именно при таком токе стабилитрон будет работать в оптимальном режиме – если сетевое напряжение начнет «прыгать», то прибор не выйдет из режима стабилизации и не сгорит, а будет продолжать выдавать 5.6 В.

Выпускаются стабилитроны, конечно, на разное напряжение – от единиц и долей до десятков и даже сотен вольт, кроме того, для получения необходимого напряжения стабилизации приборы можно соединять последовательно, но с таким расчетом, чтобы ток через них укладывался в диапазон стабилизации для обоих стабилитронов. При последовательном соединении напряжения стабилизации складываются, параллельно стабилитроны включать нельзя . Почему? В этом несложном вопросе, я думаю, вы разберетесь сами.

Собранная нами схема, по сути, является готовым стабилизатором напряжения, но питать она может только не очень прожорливые схемы, потребляющие единицы, максимум десяток мА. В противном случае изменение сопротивления нагрузки просто выведет стабилитрон из режима. Для получения более мощного стабилизированного источника питания придется схему усложнить, что мы и сделаем в следующий раз.

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). Его можно рассматривать как делитель напряжения , в котором в качестве нижнего плеча используется стабилитрон. Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Стабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи.

Расчёт параметрического стаилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборах, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов как правило не содержат емкостных фильтров, а конструктору не нужно учитывать переходные процессы в этих фильтрах. В стабилизаторах на полупроводниковых стабилитронах гистерезис отсутствует, фильтрующие конденсаторы подключаются непосредственно к выводам стабилитрона и нагрузки - как результат, конструктор обязан учитывать броски тока заряда (разряда) этих емкостей при включении (выключении) питания. Наихудшими случаями, при которых вероятен выход из строя элементов стабилизатора или срыв стабилизации, являются:

• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при коротком замыкании выхода стабилизатора на общий провод - к примеру, на время зарядки разряженного конденсатора, подключенного непосредственно к выходу стабилизатора, или при катастрофическом отказе стабилитрона. Допустимая мощность рассеивания балластного резистора должна быть достаточной, чтобы выдержать подобное замыкание. В противном случае вероятно разрушение балластного резистора.
• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при отключении нагрузки от выхода стабилизатора. Допустимый ток стабилитрона должен превышать расчётный ток через балластный резистор, определяемый по закону Ома. В противном случае при разогреве кристалла стабилитрона свыше +175 °С стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов .
• Отбор нагрузкой максимально возможного тока при подаче на вход стабилизатора минимально возможного напряжения питания. Сопротивление балластного резистора должно быть достаточно мало, чтобы и в этих условиях ток через резистор превышал ток нагрузки на величину, равную минимально допустимому току стабилитрона. В противном случае ток стабилитрона прерывается, стабилизация прекращается.

На практике часто оказывается, что соблюсти все три условия нельзя как по соображениям себестоимости компонентов, так и из-за ограниченного диапазона рабочих токов стабилитрона. В первую очередь можно поступиться условием защиты от короткого замыкания, доверив её плавким предохранителям или тиристорным схемам защиты, или положиться на внутреннее сопротивление источника питания, которое не позволит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно.

Последовательное и параллельное включение

В документации на стабилитроны иностранного производства возможность их последовательного или параллельного включения обычно не рассматривается. В документации на советские стабилитроны встречаются две формулировки:

• для приборов малой и средней мощности «допускается последовательное или параллельное соединение любого числа стабилитронов» [одной серии];
• для приборов средней и большой мощности «допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов [одной серии]. Параллельное соединение допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой мощности для одного стабилитрона».

Последовательное соединение стабилитронов разных серий возможно при условии, что рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии. Шунтировать стабилитроны высокоомными выравнивающими резисторами так, как это делается в выпрямительных столбах, нет необходимости. «Любое число» последовательно соединённых стабилитронов возможно, но на практике ограничено техническими условиями на электробезопасность высоковольтных устройств. При соблюдении этих условий, при подборе стабилитронов по ТКН и их термостатировании возможно построение прецизионных высоковольтных эталонов напряжения. К примеру, в 1990-е годы лучшие в мире показатели стабильности имел стабилитронный эталон на 1 миллион В, построенный российской компанией «Мегавольт-Метрология» по заказу канадского энергетического института IREQ. Основная погрешность этой установки не превышала 20 ppm, а нестабильность по температуре - не более 2,5 ppm во всём рабочем диапазоне температур.

Составной стабилитрон

Если схема требует снимать со стабилитрона большие токи и мощности, чем это допустимо по техническим условиям, то между стабилитроном и нагрузкой включают буферный усилитель постоянного тока . В схеме «составного стабилитрона» коллекторный переход единственного транзистора, усиливающего ток, включен параллельно стабилитрону, а эмиттерный переход - последовательно со стабилитроном. Сопротивление, задающее смещение транзистора, выбирается таким образом, чтобы транзистор плавно окрывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при I ст.ном. =5 мА и U бэ.мин. =500 мВ сопротивление R=500 мВ/5 мA=100 Ом, а напряжение на «составном стабилитроне» равно сумме U ст.ном. и U бэ.мин. . При больших токах тразистор открывается и шунтирует стабилитрон, а ток стабилитрона прирастает незначительно - на величину, равную току базы транзистора, поэтому в первом приближении дифференциальное сопротивление схемы уменьшается в раз (- коэффициент усиления транзистора по току). ТКН схемы равен алгебраической сумме ТКН стабилитрона при I ст.ном. и ТКН прямо смещённого диода (примерно -2 мВ/°C), а её область безопасной работы на практике ограничена ОБР применяемого транзистора.

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста .

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора также содержит только стабилитрон, транзистор и балластное сопротивление, но транзистор в ней включен по схеме с общим коллектором (эмиттерным повторителем). Температурный коэффициент такого стабилизатора равен алгебраической разнице U ст.ном. стабилитрона и U бэ.мин. транзистора; для нейтрализации влияния U бэ.мин. в практических схемах последовательно со стабилитроном включают прямо включенный диод VD2. Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Умножение напряжения стабилизации

Для стабилизации напряжения, превосходящего максимальное напряжение типовых малогабаритных стабилитронов, можно собрать составной «высоковольтный стабилитрон», например, набрать напряжение 200 В из последовательно соединённых стабилитронов на 90, 90 и 20 В. Но в тоже время напряжение шумов и нестабильность такой схемы могут оказаться неприемлемо высоки, а фильтрация шума высоковольтной цепочки потребует дорогих, массивных конденсаторов . Существенно лучшие характеристики имеет схема с умножением напряжения единственного малошумящего низковольтного стабилитрона на напряжение 5…7 В. В этой схеме, также как и в обычном термокомпенсированном стабилитроне, опорное напряжение равно сумме напряжения пробоя стабилитрона и напряжения перехода база-эмиттер биполярного транзистора. Коэффициент умножения опорного напряжения определяется делителем R2-R3. Действительный коэффициент умножения несколько больше расчётного из-за ответвления тока в базу транзистора.

По соображениям безопасности и простоты монтажа в стабилизаторе положительного напряжения удобнее применять pnp-транзистор, в стабилизаторе отрицательного напряжения - npn-транзистор. В таких конфигурациях коллектор силового транзистора электрически соединён с общим проводом и его можно крепить непосредственно к шасси без изолирующих прокладок. По соображениям доступности и себестоимости в стабилизаторах любой полярности проще и дешевле применять npn-транзисторы. При напряжениях и токах, типичных для ламповых усилителей, ёмкость конденсатора, шунтирующего стабилитрон, должна составлять несколько тысяч мкФ. При том она не только фильтрует низкочастотный шум стабилитрона, но и обеспечивает плавное нарастание напряжения при запуске схемы. Как результат, при включении питания возрастает тепловая нагрузка на последовательное сопротивление R1.

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Термокомпенсированные стабилитроны обычно питаются постоянным током от транзисторного или интегрального источника тока. Использование базовой схемы с балластным резистором не имеет смысла, поскольку даже при питании схемы стабилизированным напряжением нестабильность по току будет неприемлемо велика. Слаботочные стабилитроны на ток 1 мА обычно запитываются от источников тока на биполярных транзисторах, полевых транзисторах с p-n-переходом, стабилитроны на ток 10 мА - от источников тока на МДП-транзисторах со встроенным каналом в режиме обеднения. Интегральные источники тока семейства LM134/LM334 допускают токи до 10 мА, но не рекомендуются к применению в схемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C).

Высокоомные нагрузки с постоянным, относительно термостабильным, сопротивлением можно подключать непосредственно к выводам стабилитрона. В иных случах между стабилитроном и нагрузкой включается буферный усилитель на прецизионном операционном усилителе или на дискретных биполярных транзисторах. В грамотно спроектированных схемах такого рода, прошедших длительную электротермотренировку, нестабильность при длительной работе составляет порядка 100 ppm в месяц - существенно выше того же показателя прецизионных интегральных ИОН.

Генератор белого шума на стабилитроне

Собственные шумы стабилитрона лавинного пробоя имеют спектр, близкий к спектру белого шума. В стабилитронах на напряжение 9…12 В уровень шума достаточно высок для того, чтобы его можно было использовать для целенаправленной генерации шума. Частотный диапазон такого генератора определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. На приведённых иллюстрациях показаны две возможные конструкции усилителей: в первом случае верхняя граничная частота усилителя (1 МГц) задаётся ёмкостью С2, во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа.

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём. Отдельные ранние серии стабилитронов отличались особо высоким уровнем шума, но по мере совершенствования технологии их вытеснили малошумящие приборы. Поэтому в серийных изделиях более оправдано применение не стабилитронов, а высокочастотных биполярных транзисторов в обратном включении, например, разработанного ещё в 1960-е годы транзистора 2N918 - спектр его шума простирается до 1 ГГц.

Программируемые перемычки на стабилитронах

Стабилитрон на базе обратно-смещённого эмиттерного перехода интегрального планарного npn-транзистора («поверхностный стабилитрон») отличается от дискретных стабилитронов малым предельным током стабилизации. Максимальный обратный ток, допустимый в типовой эмиттерной структуре с металлизацией алюминием , не превышает 100 мкА. При больших токах в приповерхностном слое происходит видимая глазу вспышка и под слоем оксида возникает алюминиевая перемычка, навсегда превращающая погибший стабилитрон в резистор с сопротивлением около 1 Ом.

Этот недостаток интегральных стабилитронов широко используется в производстве аналоговых интегральных схем для точной подстройки их параметров. В технологии пережигания стабилитронов (англ. zener zapping ) параллельно с коммутируемыми сопротивлениями формируются элементарные стабилитронные ячейки. При необходимости скорректировать величину сопротивления цепи или коэффициент делителя напряжения ненужные стабилитронные ячейки пережигаются импульсами тока длительностью 5 мс и силой 0,3-1,8 A, закорачивая соответствующие им резисторы. Тот же приём может применяться и в цифровых ИС с металлизацией алюминием.

Современная электронная аппаратура предъявляет жёсткие требования к стабильности постоянного напряжения источника питания. Настолько жёстки эти требования, можно судить по таким цифрам. Малой стабильностью считают такую, при которой изменения выходного напряжения источника питания составляют 2-5%, средней стабильностью 0,5-2%, высокой 0,1-0,5%, очень высокой - менее 0,1%. Такие высокие показатели стабильности высокого напряжения источника питания невозможно получить без специального устройства - стабилизатора постоянного напряжения, который включается на выходе источника питания.

Следует заменить, что основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и сопротивление нагрузки. Оба дестабилизирующих фактора могут быть медленными - от нескольких минут до нескольких часов и быстрыми - доли секунды. И те и другие изменения постоянного напряжения отрицательно сказываются на работе электронной аппаратуры, поэтому стабилизатор должен действовать непрерывно и автоматически.

На основании изложенного можно дать следующее определение. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Основой его служит стабилитрон - кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и нагрузка, подключенная к нему, поддерживается практически постоянным.

Рисунок 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Вольтамперные характеристики нескольких, наиболее часто используемых стабилитронов , показаны на рисунке 1. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растёт очень медленно (на характеристике - горизонтальный участок ветвей), а затем, при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-n перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике - спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС 133А, например, при 3…3,7 В, у стабилитрона Д808 - при 7…8,5 В.

В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик. Пробой р-n перехода не ведёт к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.

Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему это малому изменению тока стабилизации.

Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации, т.е наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме пробоя устойчива, и не больше максимального тока стабилизации наибольшего тока, при котором температура нагрева р-n перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируется по его напряжению стабилизации - напряжению между его выводами в рабочем режиме.

Рисунок 2 Электрическая принципиальная схема простейшего параметрического стабилизатора

Практическая часть

1) Снятие вольтамперной характеристики

Рисунок 3 Электрическая принципиальная схема для снятия вольт амперной характеристики стабилитрона

Тут приведена полярность для обратной ветви характеристики, для снятия прямой ветви соответственно изменить полярность питания и подключения измерительных приборов.

Соберём схему по рисунку 3. Для снятия вольтамперной характеристики стабилитрона вначале изменяют прямое, а затем обратное напряжение, подводимое к диоду, и следят за изменениями тока в цепи. Для построения характеристики достаточно снять 5-6 показаний приборов для прямой и 8-10 показаний для обратной ветви характеристики. Особенно тщательно следует снимать характеристику на участке стабилизации, так как здесь в широком диапазоне изменения тока диода напряжение Uст меняется незначительно. Данные наблюдений записывают в таблицу I= f (U)

2) Построение вольтамперной характеристики

График вольтамперной характеристики кремниевого стабилитрона строят по результатам таблицы. Примерный вид вольтамперной характеристики показан на рисунке 4.

Рисунок 4 Примерный вид вольтамперной характеристики

Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема для исследования параметрического стабилизатора

Схема для исследования параметрического стабилизатора показана на рисунке 5. Поочередно осуществляется подключение нагрузочных резисторов R2 или R3 с разными сопротивлениями, тем самым изменяется нагрузочный ток.

Порядок выполнения работы

1. Подключить к схеме для исследования параметрического стабилизатора измерительную аппаратуру и источник питания. Подготовить приборы для измерения соответствующих параметров.
2. Рассчитать по известным параметрам схемы коэффициент стабилизации напряжения Кст стабилизатора.
3. Определить экспериментально и записать в таблицу коэффициент стабилизации напряжения при изменениях входного напряжения от 25 до 30 В для обоих нагрузочных резисторов. Для чего установить входное напряжение стабилизатора с точностью до 0,05 В. Затем увеличив входное напряжение до 30 В снова измерить входное напряжение. По результатам измерений, записанных в таблицу, по формуле (6) определить искомый коэффициент стабилизации, сравнив с расчётами, сделанными в п.2, учитывая, что они могут отличаться на 20-30%.
4. Определить расчётно-экспериментальным путём минимальное и максимальное сопротивление балластного резистора. Для определения сопротивление балластного резистора по формулам (4) необходимо измерить минимальное и максимальное значения нагрузочного тока, определённое при любом входном напряжении от 25 до 30 В. В качестве напряжения Uст принять значение напряжения Uн из таблицы, округляя его до 0,1 долей вольта.
5. Определение коэффициента стабилизации.

Используемый в лабораторной работе стабилитрон Д814Б и резисторы (балластное сопротивление R1 МЛТ-2 510 Ом, нагрузочные резисторы R2 МЛТ-1 1 кОм и R3 МЛТ-0,5 3 кОм) закреплены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

Первая часть лабораторной работы состоит в снятии прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики стабилитрона

Во второй части на основе стабилитрона собирается простейший параметрический стабилизатор.

Меняя напряжение на входе стабилизатора, можно убедиться, что напряжение на нагрузке (резистор R2 или R3) изменяться практически не будет. Аналогично переключая резисторы R2 или R3 можно удостовериться, что изменение сопротивления нагрузки также не приводит к значительным колебаниям напряжения на ней.

Здесь были использованы сокращения материала в теоретической части, полную версию работы прочитайте . Специально для сайт - Denev

Обсудить статью СТАБИЛИТРОНЫ

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять стабилитроны последовательно с тем, чтобы обратное напряжение на каждом стабилитроне не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров стабилитронов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между стабилитронами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование стабилитронов резисторами (рисунок 3). Сопротивления R ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений стабилитронов. Однако R ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение стабилитронов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного стабилитрона. Но если стабилитроны одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных стабилитронов может составлять десятки процентов.(дорисовать палочку в диоде чтобы получился стабилитрон)

Однополупериодный выпрямитель

Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

Большой коэффициент пульсаций;

Малые значения выпрямленного тока и напряжения;

Низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Рабочий режим ПД

Режим диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не пред­ставлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопро­тивления диода постоянному току R o и сопротивления нагрузочного резистора R н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R o у него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и и. А для сопротивления R H подобным

уравнением является закон Ома: i = u R /R H = (Е - u )/R н. Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

ВАХПД.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными . Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными . Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I =I 0 , где I 0 – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; U Д – напряжение на p-n- переходе; j T – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на p-n- перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T =300 K, j T =0.025 В).

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n -переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n -перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

Переход метал-ПП.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла А м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А т то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход

не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А п < А м). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа А п < А м, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером - диодами Шоттки

Стабилитрон - это полупроводниковый диод с уникальными свойствами. Если обычный полупроводник при обратном включении является изолятором, то он выполняет эту функцию до определенного роста величины приложенного напряжения, после чего происходит лавинообразный обратимый пробой. При дальнейшем увеличении протекающего через стабилитрон обратного тока напряжение продолжает оставаться постоянным за счет пропорционального уменьшения сопротивления. Таким путем удается добиться режима стабилизации.

В закрытом состоянии через стабилитрон сначала проходит небольшой ток утечки. Элемент ведет себя как резистор, величина сопротивления которого велика. При пробое сопротивление стабилитрона становится незначительным. Если дальше продолжать повышать напряжение на входе, элемент начинает греться и при превышении током допустимой величины происходит необратимый тепловой пробой. Если дело не доводить до него, при изменении напряжения от нуля до верхнего предела рабочей области свойства стабилитрона сохраняются.

Когда напрямую включается стабилитрон, характеристики не отличаются от диода. При подключении плюса к p-области, а минуса - к n-области сопротивление перехода мало и ток через него свободно протекает. Он нарастает с увеличением входного напряжения.

Стабилитрон - это особый диод, подключаемый большей частью в обратном направлении. Элемент сначала находится в закрытом состоянии. При возникновении электрического пробоя стабилитрон напряжения поддерживает его постоянным в большом диапазоне тока.

На анод подается минус, а на катод - плюс. За пределами стабилизации (ниже точки 2) происходит перегрев и повышается вероятность выхода элемента из строя.

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

• U ст - напряжение стабилизации при номинальном токе I ст;
• I ст min - минимальный ток начала электрического пробоя;
• I ст max - максимальный допустимый ток;
• ТКН - температурный коэффициент.

В отличие от обычного диода, стабилитрон - это полупроводниковое устройство, у которого на вольт-амперной характеристике области электрического и теплового пробоя достаточно далеко расположены друг от друга.

С максимально допустимым током связан параметр, часто указываемый в таблицах - мощность рассеивания:

P max = I ст max ∙ U ст.

Зависимость работы стабилитрона от температуры может быть как с положительным ТКН, так и отрицательным. При последовательном подключении элементов с разными по знакам коэффициентами создаются прецизионные стабилитроны, не зависящие от нагрева или охлаждения.

Схемы включения

Типовая схема простого стабилизатора, состоит из балластного сопротивления R б и стабилитрона, шунтирующего нагрузку.

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

1. Подача на стабилизатор большого напряжения от источника питания при наличии на выходе фильтрующего конденсатора. Броски тока при его зарядке могут вызвать выход из строя стабилитрона или разрушение резистора R б.
2. Отключение нагрузки. При подаче на вход максимального напряжения ток стабилитрона может превысить допустимый, что приведет к его разогреву и разрушению. Здесь важно соблюдать паспортную область безопасной работы.
3. Сопротивление R б подбирается небольшим, чтобы при минимально возможной величине напряжения питания и максимально допустимом токе на нагрузке стабилитрон находился в рабочей зоне регулирования.

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или

Резистор R б рассчитывается по формуле:

R б = (U пит - U ном)(I ст + I н).

Ток стабилитрона I ст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе U пит и тока нагрузки I н.

Выбор стабилитронов

Элементы имеют большой разброс по напряжению стабилизации. Чтобы получить точное значение U н, стабилитроны подбираются из одной партии. Есть типы с более узким диапазоном параметров. При большой мощности рассеивания элементы устанавливают на радиаторы.

Для расчета параметров стабилитрона необходимы исходные данные, например, такие:

• U пит = 12-15 В - напряжение входа;
• U ст = 9 В - стабилизированное напряжение;

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

Для минимального входного напряжения 12 В ток на нагрузке выбирается по максимуму - 100 мА. По закону Ома можно найти суммарную нагрузку цепи:

R ∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

На стабилитроне падение напряжения составляет 9 В. Для тока 0,1 А эквивалентная нагрузка составит:

R экв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

R б = 120 Ом - 90 Ом = 30 Ом.

Оно выбирается из стандартного ряда, где значение совпадает с расчетным.

Максимальный ток через стабилитрон определяется с учетом отключения нагрузки, чтобы он не вышел из строя в случае, если какой-либо провод отпаяется. Падение напряжения на резисторе составит:

U R = 15 - 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

I R = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, I c = I R = 0,2 А.

Мощность рассеивания составит P = 0,2∙9 = 1,8 Вт.

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

Симметричный диодный тиристор представляет собой переключающий прибор, проводящий переменный ток. Особенностью его работы является падение напряжения до нескольких вольт при включении в диапазоне 30-50 В. Его можно заменить двумя встречно включенными обычными стабилитронами. Устройства применяют в качестве переключающих элементов.

Аналог стабилитрона

Когда не удается подобрать подходящий элемент, используют аналог стабилитрона на транзисторах. Их преимуществом является возможность регулирования напряжения. Для этого можно применять усилители постоянного тока с несколькими ступенями.

На входе устанавливают делитель напряжения с R1. Если входное напряжение возрастает, на базе транзистора VT1 оно также увеличивается. При этом растет ток через транзистор VT2, который компенсирует увеличение напряжения, поддерживая тем самым его стабильным на выходе.

Маркировка стабилитронов

Выпускаются стеклянные стабилитроны и стабилитроны в пластиковых корпусах. В первом случае на них наносятся 2 цифры, между которыми располагается буква V. Надпись 9V1 обозначает, что U ст = 9,1 В.

На пластиковом корпусе надписи расшифровываются с помощью даташита, где также можно узнать другие параметры.

Темным кольцом на корпусе обозначается катод, к которому подключается плюс.

Заключение

Стабилитрон - это диод с особыми свойствами. Достоинством стабилитронов является высокий уровень стабилизации напряжения при широком диапазоне изменения рабочего тока, а также простые схемы подключения. Для стабилизации малого напряжения приборы включают в прямом направлении, и они начинают работать как обычные диоды.