Исследование вольт -амперной характеристики стабилитрона

Приборы и оборудование

· Компьютер, с необходимым программным обеспечением (имитатор генератора импульсных сигналов)

· Программа для моделирования

Теоретическое обоснование

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. Исходным материалом для стабилитрона служит кремний.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

На рис. 1. показан примерный вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона. Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации U_ст – значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока I_ст. В зависимости от толщины p-n перехода напряжение стабилизации может быть от 2 до 400 В. Рабочий участок ВАХ ограничен предельно допустимыми значениями тока I_ст.min и I_ст.max, которые приводятся в справочных данных.

О качестве стабилитрона, т.е. о его способности стабилизировать напряжение при изменениях проходящего тока, можно судить по значению дифференциального сопротивления стабилитрона r_ст, которое определяется отношением приращения напряжения к вызвавшему его приращению тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше его дифференциальное сопротивление.

При проектировании источников электропитания для радиоэлектронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности напряжения питания. Простейшими стабилизаторами напряжения являются схемы, использующие нелинейные элементы, ВАХ которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Именно такую характеристику имеет стабилитрон при обратном напряжении в области пробоя.

В данной работе исследуется параметрический стабилизатор, основанный на использовании полупроводникового стабилитрона (рис. 2).

Рис. 2. Параметрический стабилизатор напряжения

В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона VD1.

Входное напряжение U_вх должно быть больше напряжения пробоя стабилитрона U_ст. Для ограничения тока через стабилитрон устанавливается балластный резистор R_б, на котором падает разность напряжений U_вх – U_ст. Часть входного напряжения теряется на этом резисторе, а оставшаяся часть приложена к нагрузке. Функцию нагрузки в схеме выполняет сопротивление R_н, величину которого можно задавать при проведении исследования. Колебания входного напряжения U_вх или тока нагрузки I_н приводят к изменению тока через стабилитрон I_ст.

Наибольший ток через стабилитрон протекает при максимальном входном напряжении и минимальном токе нагрузки:

.

Наименьший ток через стабилитрон протекает при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки:

.

Полный диапазон изменения тока стабилитрона составляет

– = (U_{вх.макс} – U_вх.мин)/R_б + I_н.макс – I_н.мин.

При выполнении условий:

< ; > ,

где и – предельно допустимые токи стабилитрона, напряжение на нагрузке U_вых = U_ст стабильно.

Ход работы

Исследование вольт -амперной характеристики стабилитрона

Собрать на рабочем столе программы Electronics Workbench схему рис. 3 для построения прямой и обратной ветвей ВАХ полупроводникового стабилитрона, модель которого задана в таблице вариантов.

Рис. 3. Схема измерений ВАХ стабилитрона

Таблица

Варианты заданий к схеме стабилизатора напряжения

Вариант	Стабилитрон	Iст.max, мА	Uвх.ном, В	Uвых, В	Iн.ном, мА
	1N4730A			3,9
	1N4731A			4,3
	1N4732A			4,7
	1N4733A			5,1
	1N4734A			5,6
	1N4735A			6,2
	1N4736A			6,8
	1N4737A			7,5
	1N4738A			8,2
	1N4739A			9,1
	1N4740A
	1N4741A
	1N4742A
	1N4743A
	1N4744A

Примечание: стабилитроны выбраны из библиотеки motor_1n программы Electronics Workbench.

С помощью ключа, управляемого клавише Space (Пробел), к стабилитрону можно подключать либо источник прямого тока, либо источник обратного тока. Изменяя значения прямого тока I_пр в пределах от 1 мА до 100 мА (10…12 точек), произвести измерения прямого напряжения U_пр. Задавая значения обратного тока в пределах от 0,5 мА до величины I_ст.max (10…12 точек), произвести измерения обратного напряжения U_обр. Построить графики прямой I_пр = f(U_пр) и обратной I_обр = f(U_обр) ветвей характеристики стабилитрона в одних и тех же координатах: напряжение (по горизонтали) – ток (по вертикали). Для наглядности графика ВАХ целесообразно использовать разные масштабы по оси напряжения для прямой и обратной ветвей.