Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы

Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы – приборы, предназначенные для фиксации в определенных пределах напряжения на какой-либо нагрузке, например, резисторе R_н, при изменении входного напряжения цепи.

Стабилитроны - приборы, работающие в режиме обратимого лавинного или туннельного пробоя при обратном смещении.

Величина напряжение стабилизации U_ст лежит в пределах: тунельный пробой – до 5 В; лавинный пробой – от 6 В до 20-30 В.

Заметим, что напряжение пробоя при необратимом тепловом пробое характеризуется значениями сотни вольт, что значительно больше, чем при лавинном и туннельном пробое.

Стабисторы - приборы, работающие, как и обычный диод, при прямом смещении. Напряжения стабилизации U_ст в этом случае определяется величиной предельного прямого напряжения U_{пр пред} (рис. 3.1, в) и достигает 1 В.

Рабочим участком стабилитрона является участок на обратной ветви вольтамперной характеристики (рис. 3.6) в области напряжений, соответствующих обратимому пробою; стабистора – в области прямых смещений.

Вольтамперные характеристики (зависимости силы тока I_прчерез стабилитрон от напряжения U_пр между контактами прибора), представлены на рис. 3.6.

При напряжениях U < U_ст ток (обратный) через ″закрытый″ стабилитрон крайне мал, а его сопротивление – велико; явления пробоя еще не происходят. При некотором минимальном значении обратного напряжения U_ст ток стабилитрона, 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).

Рис. 3.6. ВАХ стабилитронов и стабистора

Упрощенная схема измерения характеристик стабилитрона и стабистора, их УГО представлена на рис. 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_вхR_б. (3.5)

Другими словами, балластный резистор принимает на себя часть избыточного напряжения, превышающее напряжение 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 нуля до напряжения стабилизации U_cт, напряжение на выходе растет (область 1), а затем, по мере возрастания напряжения на входе, напряжение U_вых практически не изменяется (область 2), оставаясь равным U_cт.

Это можно объяснить следующим образом. По мере роста напряжения на входе схемы U_вх от нуля (обратное смещение), в области значений
U_обр < U_cт, напряжение на стабилитроне (а также на параллельно включенной нагрузке R_н) 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. Т.е. пока стабилитрон не ″пробит″, практически все входное напряжение падает на нем из-за большого сопротивления обратносмещенного стабилитрона.

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. 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 при изменении напряжения на входе в широких пределах (рис. 3.7, в, область 2).

Величина напряжения стабилизации зависит от температуры. Напряжение туннельного пробоя находится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, поэтому с ростом температуры происходит уменьшение DЕ_з, сужение толщины барьера (при возрастании его высоты), увеличение вероятности туннелирования через барьер, и, соответственно, уменьшение напряжения стабилизации.

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.

В связи с вышесказанным величина напряжения стабилизации U_ст конкретного стабилитрона зависит от температуры прибора. На рис. 3.6 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 = (100/U_ст)(DU_cт/DT), %/К. (3.6)

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. 3.8, а). Например, если напряжение стабилизации прибора более 6 В, то реализуется обратимый лавинный пробой и ТКН > 0, т.е. по мере возрастания температуры напряжение стабилизации возрастает. Аналогично, при напряжении пробоя менее 5 В в стабилитроне происходит туннельный эффект и ТНК < 0.

а) б) в)

Рис. 3.8. Зависимость ТКН(U_ст) (а), УГО (б) стабилитрона, термостабилизация U_ст (в)

Следует отметить, что в качестве стабистора могут быть выбраны диоды, у которых происходит ″резкое″ увеличение прямого тока при напряжении U_{пр пред} (рис. 3.1, а, 3.2, б). В частности, в этом случае напряжение стабилизации германиевого диода составляет примерно 0,7 В, а диода Шоттки – 0,2- 0,3 В.

Поскольку при повышении температуры прямой ток возрастает и ВАХ прямой ветви смещается немного в область меньших напряжений, то напряжение стабилизации стабистора немного уменьшается, т.е. ТКН < 0. Это обстоятельство используется для термостабилизации напряжения стабилизации ″составного″ элемента (рис. 3.8, в), состоящего из нескольких приборов. Например, при увеличении температуры напряжение стабилизации VD1 и VD2 растет, а у VD3 – падает; в итоге – напряжение на нагрузке практически не изменяется.

Дифференциальное сопротивление r_d (несколько десятков Ом) и дифференциальная проводимость g_d элемента определяются следующим образом:

g_d = 1/r_d = dI_ст/dU_ст (3.7)

или g_d = 1/r_d = DI_ст/DU_ст .(3.8)

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. 3.9.

Рис. 3.9. Схема блока стабилизаторов

Путем замены центральной части панели, на которой изображена мнемосхема исследуемой схемы, можно производить исследование стабилизаторов различного типа, например, параметрического стабилизатора.

Стенд (рис. 3.9) включает в себя приборы, с помощью которых возможно измерение параметров постоянных напряжений (потенциалов) и токов в различных ветвях схемы. 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 (следует использовать режим ″=″);

– тумблер ²В3² для подключения нагрузки;

– ручка регулировки входного напряжения ²U₀²(U₀ ≡ U_вх);

– ручка регулировки тока нагрузки ²I_н²;

– вольтметр ²U₀² для измерения входного напряжения (U₀ ≡ U_вх);

– миллиамперметр ²I₀² для измерения входного тока (I₀ ≡ I_вх);

– миллиамперметр ²I_cт, I_э² для измерения тока стабилизации в параметрических стабилизаторах и тока эмиттера регулирующего транзистора в компенсационном стабилизаторе с параллельным включением регулирующего элемента;

– вольтметр ²U_m² для измерения напряжений в характерных точках;

– миллиамперметр ²I_н² для измерения тока нагрузки;

– вольтметр ²U_н² для измерения напряжения нагрузки;

Упрощенная схема измерения характеристик стабилитрона представлена на рис. 3.10. 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.

Рис. 3.10. Схема исследования стабилитрона

Подготовка к работе

Лабораторная работа относится к темам: ²P-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 r_d, g_d, TKН;

– зависимость TKН от напряжения стабилизации U_ст; объясните причину этой зависимости;

– схему для термостабилизации напряжения U_ст;

– схемы для исследования стабилитронов и стабисторов;

– особенности маркировки и применение стабилитронов;

Параметры исследуемых стабилитронов необходимо самостоятельно определить по справочнику (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Параметры	Значения
Д815Б	Д817E
Напряжение стабилизации Uст	?	?
ТКН	?	?
Icт. мин	?	?
Icт. макс	?	?
Рассеиваемая мощность W	?	?