Стабилитрон

3.1 Теоретические сведения

 

3.1.1 Назначение и принцип действия

Стабилитрон предназначен для стабилизации напря-жения в схемах; на их вольт-амперной характеристике (ВАХ) имеется участок с высокой крутизной, где напряжение на диоде слабо зависит от тока через диод (рис. 3.1). В радиоэлектронной аппаратуре при-меняют стабилитроны общего назначения, прецизионные, двуханодные и стабисторы.

 

 

Рисунок 3.1 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона

 

Стабилитроны общего на-значения используются в схемах: стабилизаторов источников питания, ограничителей, фик-саторов уровня напряжения и др. Прецизионные стабилитро-ны применяют в качестве ис-точника опорного напряжения с высокой точностью стабили-зации и термокомпенсации уровня напряжения, двуханодные-
– в схемах стабилизаторов, ограничителей напряжения разной полярности, в том числе в схемах двухстороннего ограничения напряжения, в качестве опорного элемента с термокомпенсированным напряжением и т.п. Стабисторы предназначены для стабилизации малых значений напряжений, а также используются как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного уровня напряжения в схеме при изменении температуры окружающей среды.

Выпускаемые промышленностью стабилитроны являются сплавными, диффузионно-сплавными, планарными, диффузионными, эпитаксиальными диодами. Исходным мате-риалом для них выбран кремний n -типа, обеспечивающий малые обратные токи I_обр, широкий рабочий диапазон тем-ператур, высокую крутизну ВАХ в области напряжения ста-билизации U_ст. Напряжению стабилизации соответствует уровень напряжения на диоде, который остается практически постоянным при изменении тока через диод в широких пределах.

Принцип действия основан для большинства стабилитронов, за исключением стабисторов, на использовании элек-трического пробоя в р-n -переходе. При относительно малой концентрации примесей в базе диода наблюдается лавинный механизм пробоя в его электрическом переходе (высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации U_ст > 6¸7 В), а при высокой концентрации примесей возникает туннельный пробой (низковольтные стабилитроны с U_ст < 6¸7 В). Для кремниевого диода характерно постоянство напряжения не только в области электрического пробоя его перехода, но и на прямой ветви ВАХ (рис. 3.1), что используется в стабисторе.

 

 

Рисунок 3.2 – зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации от напряжения стабилизации

 

3.1.2 Параметры

 

Параметрами стабилитронов являются:

U_ст.ном – номинальное значение напряжения стабилизации;

I_{ст. ном} – номинальный ток стабили-зации, т. е, значение тока стабилизации, при котором определяются значения параметров стабилитрона, в том числе U_ст.ном;

I_ст.мин – минимальный ток ста-билизации, т. е. значение тока на участке пробоя ВАХ стабилитрона, меньше которого увеличивается дифференциальное сопротивление пе-рехода, пробой становится неустойчивым и резко возрастают микроплазменные шумы прибора;

I_{ст.макс} – максимально допустимый ток стабилизации, т. е. наибольшее определяемое из макси-мально допустимой рассеиваемой мощности Р_макс, значение тока ста-билизации, при котором обеспечивается гарантированная надежность прибора при длительной его работе;

r_ст = дU/дI – дифференци-альное сопротивление при заданном токе стабилизации;

R_ст = дU_ст/дI_cт – статическое сопротивление при заданном токе стабилизации;

Кд = R_ст/r_ст – критерий качества стабилитрона;

С_д – емкость стабилитрона или емкость между выводами стабилитрона при заданном напряжении;

α_Uст = дU_ст/(U_стдТ) – средний температурный коэффициент напряжения стабилизации (где U_ст изменение напряжения стабилизации, дT – абсолютное изменение темпера-туры окружающей среды);

∆U_ст – температурный уход значений напря-жения стабилизации или разность значений напряжений стабилизации, измеренная при нормальном токе стабилизации и двух температурах окружающей среды;

U_пр – постоянное прямое падение напряжения при заданном прямом токе;

Т_мин – Т_макс – рабочий диапазон темпера-тур.

параметрами, по которым классифицируются прецизионные ста-билитроны, являются U_cт, r_ст, α_Uст или ∆U_ст.

При номинальном токе коэффициент α_Uст = DU_ст/(U_стDТ), где DТ – разность двух температур окружающей среды или корпуса прибора, которым соответствует изменение ∆U_ст. Температурный коэффициент напряжения стабилизации у стабилитронов с лавинным пробоем – положителен, а у стабилитронов с туннельным проблем – отрицателен. Зависимость α_Uст от напряжения стабилизации для кремниевых стабилитронов приведена на рис. 3.2.

 

3.2 Цель работы

 

Научиться определять статические и дифференциальные параметры стабилитрона.

 

3.3 Задачи

 

Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:

– ознакомиться со справочными данными испытуемых стабилитронов;

– провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики стабилитронов при различных температурах;

– рассчитать дифференциальные параметры стабилитронов.

 

3.4 Порядок работы и методы решения задач

 

3.3.1. Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемых стабилитронов, начертите их условное графическое обозначение /5/, эскиз внешнего вида. Расшифруйте маркировку.

3.3.2. С помощью лабораторного макета, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов стабилитрона показана на рисунке 3.3, проведите измерения статических вольт-амперных характеристик стабилитронов и стабистора /2, раздел 11-9; 3, раздел 3.3; 4, раздел 3.25/.

Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам, методом вольтметра-амперметра. Принципиальная электрическая схема блока задания режимов стабилитронов показана на рисунке 3.4.

При измерении статических ВАХ стабилитрона необходимо задавать различные значения тока при его обратном смещении и измерять соответствующие им напряжения на стабилитроне. Ток стабилитрона меняйте от нуля до минус 30 мА.

Измерения статических ВАХ стабилитронов полностью повторите при температуре 60°С.

Используя результаты полученных измерений, постройте статические ВАХ отдельно для каждого стабилитрона. Графики, соответствующие разным температурам, должны быть расположены на одном рисунке. Для большей наглядности рекомендуется использовать укрупненный масштаб, смещая начало координат по оси напряжений влево.

3.3.3. По статическим ВАХ определите статические параметры стабилитронов и укажите их на графиках /2, раздел 3.4; 3, раздел 3.25/:

– напряжение стабилизации U_ст при I_{ст. ном} (значение I_{ст. ном} для каждого из стабилитронов взять из справочника /1/;

– минимальный ток стабилизации I_ст.мин.

3.3.4. На основе построенных статических ВАХ рассчитайте дифференциальные параметры стабилитронов /2, раздел 3.4; 3, раздел 3.25/ методом графического дифференцирования:

– дифференциальное сопротивление r_ст;

– температурный коэффициент напряжения стабилизации a_Uст.

С целью сравнения качества приборов дифференциальные параметры стабилитронов рассчитайте при одном и том же значении тока стабилизации, например, 10 мА.

Отчет о работе должен содержать результаты изучения, измерений и вычислений по всем пунктам задания.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны уметь объяснить ход и температурную зависимость статических ВАХ стабилитронов, уметь определять статические и дифференциальные параметры этих приборов, уметь оценить качество стабилитронов различных типов.

 

 

Рисунок 3.3 – Лицевая панель измерителя статических характеристик стабилитронов

 

Рисунок 3.4 – Принципиальная электрическая схема измерителя статических характеристик стабилитронов

Литература

 

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М.: Дрофа, 2009. – 703 с.: ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

4 ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.