Какие свойства стабилитрона оцениваются дифференциальным сопротивлением

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель	Линейный источник питания	Импульсный источник питания
Стоимость	Низкая	Высока
Масса	Большая	Небольшая
ВЧ-шум	Отсутствует	Высокий
КПД	35 — 50 %	70 — 90 %
Несколько выходов	Нет	Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;

выходной ток IH = IST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно kST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, на которых напряжение сохраняется с определенной точностью при изменении протекающего через них тока в заданном диапазоне. Эти приборы предназначены для стабилизации напряжения. Участки ВАХ, соответствующие электрическим режимам стабилитронов и стабисторов в режиме стабилизации, называют рабочими. Рабочий участок стабилитрона расположен на обратной ветви ВАХ, т. е. прибор работает в режиме пробоя.

Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Принципиальное различие между этими видами пробоя состоит в том, что при электрическом пробое p-n переход сохраняет свою работоспособность, т.е. при определенных условиях этот пробой является обратимым.

а) б)

Рис.1 Схемы включения стабилитрона

Рис. 2 Виды пробоя стабилитрона

Электрический пробой бывает двух видов: туннельный (или полевой, зелеровский, рис. 2а) и лавинный. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. просачивание электронов через потенциальный барьер, если его толщина мала. Он характерен для материалов с малой шириной области объемного заряда, т.е. возникает в p-n переходах, созданных на базе сильнолегированных полупроводников.

Лавинный пробой (рис. 2б) возникает в результате ускорения дырок и электронов, которые приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновениях с атомами полупроводника в области перехода разрывать в нем валентные связи, в результате чего может произойти лавинообразное возрастание новых пар электрон-дырка и лавинное возрастание обратного тока.

Тепловой пробой (рис. 2в) наступает вследствие выделения тепла в переходе при протекании обратного тока.

Стабилитроны используются также в качестве ограничителей постоянного или импульсного напряжения, элементов межкаскадной связи, источников эталонного напряжения и др.

На вольтамперной характеристике стабилитрона имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока (рис. 3). Такой участок ВАХ наблюдается у диода в режиме туннельного или лавинного пробоя (рис.2). До наступления пробоя стабилитроны имеют очень большое статическое сопротивление (порядка 1 МОм), после пробоя – очень малое дифференциальное сопротивление (RD=1-50 Ом). Значение напряжения стабилизации UСТ, определяемое видом пробоя, зависит от уровня легирования полупроводника и составляет от 3 до 200 В. Изготавливают стабилитроны, в основном, из кремния, обеспечивающего низкий ток насыщения.

Рис.3 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Для стабилизации малых напряжений (0,2 – 0,3 В для германиевого диода и 0,6 – 0,8 В для кремниевого диода) используют прямую ветвь характеристики диода. Принцип стабилизации виден из рис. 4, из которого следует, что при значительном изменении напряжения источника питания от U¢n2 до U¢n1 точка пересечения линии RC c характеристикой диода смещается ненамного, если прямая ветвь характеристики диода имеет большую крутизну (линия R – линия нагрузки).

Для стабилизации малых напряжений по описанному принципу применяются специальные диоды, называемые стабисторами. Напряжение стабилизации кремниевых стабисторов примерно равно 0,7 В.

Рис.4

Для стабилизации напряжений от нескольких единиц до десятков и сотен вольт (3 – 400 В) применяются стабилитроны или опорные диоды. Для стабилизации используется обратная ветвь характеристики диода при напряжении, соответствующем области пробоя.

Для изготовления стабилитронов используется кремний, т.к. обратный ток кремниевых диодов, по сравнению с германиевыми, меньше зависит от температуры и, следовательно, меньше вероятность теплового пробоя, а напряжение на участке пробоя почти не изменяется с изменением тока.

При увеличении UВХ, как только ток через диод становится выше JСТmin напряжение на диоде перестает увеличиваться и становится равным UСТ. Дальнейшее увеличение UВХ приводит лишь к росту падения напряжения на R. Поэтому напряжение на нагрузке Rn поддерживается неизменным.

Основными параметрами стабилитронов являются:

-номинальное напряжение стабилизации Uст.ном — среднее напряжение стабилизации стабилитрона при 298оК при определенном токе стабилизации Iст.;

-разброс напряжений стабилизации DUст. — интервал напряжений, в пределах которого находится напряжение стабилизации прибора данного типа;

-температурный коэффициент напряжения стабилизации αUст, показывающий, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации UСТ при изменении температуры окружающей среды на 1 К;

-дифференциальное сопротивление rст, определяющее стабилизирующие свойства прибора и показывающее, как напряжение стабилизации зависит от тока:

(1)

-минимально допустимый ток стабилизации Iст min — минимальный ток через стабилитрон, при котором сохраняются его стабилизирующие свойства; при меньших значениях тока Iст резко возрастает rст. и уменьшается Uст

-максимально допустимый ток стабилизации Iст — максимальный ток, при котором прибор сохраняет работоспособность длительное время.

Рис. 5 Координатные оси

Значение температурного коэффициента напряжения стабилизации αUст и его знак зависят от напряжения Uст.ном. Стабилитроны, напряжение стабилизации которых больше 5,5 В, имеют αUCT > 0, т. е. при увеличении температуры напряжение DUcтувеличивается. При напряжении Ucт.ном < 5,5 В стабилитроны имеютαUст < 0 и их напряжение стабилизации с увеличением температуры уменьшается. Стабисторы также имеют αист< 0.

В стабилизаторах напряжения, работающих в широком диапазоне температур, используют прецизионные стабилитроны с внутренней термокомпенсацией, в которых последовательно их р-n переходу включен в прямом направлении обычный кремниевый p-n переход с отрицательным температурным коэффициентом прямого напряжения.

Дифференциальное сопротивление стабистора рассчитывают по формуле.

rстаб(2)

Задания:

1.Начертить табл. 1 и 2 для снятия прямой и обратной ветвей ВАХ стабилитрона.

Таблица 1

Прямой ток Uпр, мА	0,1	0,5
Прямое напряжение Uпр, В

Таблица 2

Обратный ток Iст, мА	0,1	0,5
Обратное напряжение Uст, В

Таблица 3

Ток стабилизации Iст, мА
Нестабильность напряжения стабилизации dUСТ, мВ

2. Начертить координатные оси для построения прямой и обратной ветвей ВАХ (масштаб по осям Iпр — в 1 см 2 мА; .Uпр — в 1 см 0,1 В; Iобр — в 1 см 2 мА; Uобр — в 1 см 1 В).

3. Начертить табл. 3 для записи результатов измерения нестабильности напряжения стабилитрона при изменении проходящего через него тока.

4. Зарисовать исследуемые электрические схемы

5. Собрать схему, используя графические обозначения, нанесенные на сменную панель. Снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона и занести результаты измерений в табл. 1.

6. Установить стабилитрон в обратном включении и занести результаты измерений в табл. 2.

7. Построить прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона в координатных осях.

8. Рассчитать дифференциальные сопротивления стабилитрона и стабистора.

Контрольные вопросы:

1. Какие участки ВАХ стабилитрона и стабистора называют рабочими?

2.Как изменяется напряжение стабилитрона при изменении протекающего через него тока?

3.Какие свойства стабилитрона оцениваются дифференциальным сопротивлением?

4.Почему стабилитрон и стабистор плохо работают при токах, меньших минимальных токов стабилизации?

5.Каковы основные параметры стабилитрона?

Методические рекомендации:

1. При выполнении п. 5 используют: G1 (ГТ) — генератор тока стенда;

РА1(Iпр) — АВ1на пределе измерения «10 мА»;

PV1((Uпр) — АВ2на пределе измерения «10В»;

VD1- стабилитрон Д814А или КС213.

2. При выполнении п. 6 используют: G2 (ГТ)- генератор тока стенда;

РA1(IСТ) — АВ1 на пределе измерения «10 мА»;

PV1(UCT) — AB2 на пределе измерения «10 В»;

3. Пункт 2 выполнить для обоих стабилитронов.

Источник

Стабилитрон в стеклянном корпусе

Мощностью 0,5 Вт

Стабилитрон это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. В отличии от обычных диодов, стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и что самое главное — может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Благодаря этому эффекту стабилитроны широко применяются в источниках питания.

Обозначение стабилитрона
на принципиальных схемах

В стабилитронах, для создания p-n перехода, используются материалы с высокой концентрацией примесей. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. При этом электрический пробой является обратимым (если конечно не наступит тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма: лавинный пробой p-n перехода и туннельный пробой p-n перехода. Туннельный пробой p-n перехода в англоязычной литературе называется Эффектом Зенера, поэтому стабилитрон имеет еще одно название — диод Зенера.

Несмотря на схожие результаты действия этих механизмов — различны, хотя и присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения является оптимальным решением для устройств с широким температурным диапазоном применения.

Обозначение
двуханодного стабилитрона
на принципиальных схемах

Существует большое количество разновидностей стабилитронов:

Стабилитроны отличаются по мощности, существуют мощные стабилитроны и маломощные стабилитроны

Прецизионные стабилитроны — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и температурный коэффициент напряжения (например: 2С191, КС211, КС520);

Двусторонние — обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (например: 2С170А, 2С182А);

Быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса (единицы нс), что позволяет стабилизировать и ограничивать кратковременные импульсы напряжения (например: 2С175Е, КС182Е, 2С211Е).

Типовая схема
включения стабилитрона

Характеристики стабилитронов:

Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Пробивное напряжение диода, а значит, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В).

Температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Значения этого параметра у различных стабилитронов различны. Коэффициент может иметь как положительные так и отрицательные значения для высоковольтных и низковольтных стабилитронов соответственно. Изменение знака соответствует напряжению стабилизации порядка 6В.

Температурный коэффициент напряжения[править | править код]

Дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот.

Дифференциальное сопротивление

R =

Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов одного семейства (Motorola, 1970-е годы) от напряжения стабилизации и тока стабилизации[55]

Дифференциальное, или динамическое сопротивление стабилитрона равно отношению приращения напряжения стабилизации к приращению тока стабилизации в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации[56]. Оно определяет нестабильность прибора по напряжению питания (по входу) и по току нагрузки (по выходу). Для уменьшения нестабильности по входу стабилитроны запитывают от источников постоянного тока, для уменьшения нестабильности по выходу — включают между стабилитроном и нагрузкой буферный усилитель постоянного тока на эмиттерном повторителе или операционном усилителе, или применяют схему составного стабилитрона[57]. Теоретически, дифференциальное сопротивление стабилитрона уменьшается с ростом тока стабилизации. Это правило, сформулированное для условия постоянной температуры p-n-перехода, на практике действует только в области малых токов стабилизации. При бо́льших токах неизбежный разогрев кристалла приводит к росту дифференциального сопротивления, и как следствие — к увеличению нестабильности стабилизатора[58].

Для маломощного стабилитрона 2С133В дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации 1 мА равно 680 Ом, а при номинальном токе в 5 мА и температурах от —60 до +125 °C не превышает 150 Ом [59]. Стабилитроны бо́льшей мощности на то же номинальное напряжение имеют меньшее дифференциальное сопротивление, например, КС433А — 25 Ом при 30 мА. Дифференциальное сопротивление низковольтных лавинных диодов (LVA) примерно на порядок ниже, чем в «обычных» стабилитронах: например, для LVA351 (напряжение 5,1 В, мощность 400 мВт) оно не превышает 10 Ом при токе 10 мА[60]. Внутри каждого семейства стабилитронов (одной и той же максимальной мощности) наименьшие абсолютные значения дифференциального сопротивления при заданном токе имеют стабилитроны на напряжение 6 В[28].

Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность.