Стабилитроны и стабисторы
Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации, т. е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры.
Конструкции стабилитронов широкого применения аналогичны выпрямительным диодам (рис. 1 и 2).
Рис. 1 — Стабилитрон Д814В.
На корпусе иммется схематическое обозначение диода, указывающее, где находятся катод и анод.
Рис. 2 — Зарубежный стабилитрон.
Надпись 5V1 — напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 В.
Катод помечается в основном черной полоской
Работает стабилитрон не на прямой, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на участке обратной ветви вольтамперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона поможет его вольтамперная характеристика (рис. 3).
Рис. 3 — Вольтамперная характеристика стабилитрона
Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с минусом, а катод с плюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток Iобр . По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень мало — характеристика идет почти параллельно оси Uобр . Но при некотором напряжении Uобр p-n-переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт-амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр . Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное — не переборщить силу тока, больше чем Imax , иначе стабилитрон выходит из строя. Пробой p-n-перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторой допустимой величины.
Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.
Самым лучшим рабочим режимом стабилитрончика считается режим, при котором сила тока на стабилитроне находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (рис. 4).
Рис. 4 — Рабочая точка стабилитрона
Стабистор, как и выпрямительный диод, работает на прямой ветви вольтамперной характеристики (рис. 5).
Рис. 5 — Вольтамперная характеристика стабистора
Стабистор открывается при незначительном прямом напряжении Uпр и через него начинает течь нарастающий по величине прямой ток Iпр . Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабистора проходит почти параллельно оси Iпр . При значительном изменении прямого тока через стабистор падение напряжения на нем изменяется очень мало. Это свойство стабистора и используется для стабилизации напряжения.
Параметры стабилитронов
Наиболее важные параметры (характеристики) стабилитронов и стабисторов:
- номинальное напряжение стабилизацииUст — падение напряжения, которое создается между выводами стабилизатора или стабистора в рабочем режиме.
- номинальныйток стабилизацииIст ,
- минимальный ток стабилизацииIст.мин — для стабилитрона — наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме «пробоя» (на рис.1 — линия Iст.мин); для стабистора — наименьший прямой ток, при котором крутизна вольт-амперной характеристики резко уменьшается (на рис.2 — на уровне линии Iст.мин) . С уменьшением этого тока приборы перестают стабилизировать напряжение.
- максимальный ток стабилизацииIст.макс — это наибольший ток через прибор, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой (на рис. 1 и 2 — линии Iст.макс ). Превышение тока Iст.макс ведет к тепловому пробою р-n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.
Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.
Использование стабилитронов
Стабилитроны часто используются стабилизации выходного напряжения источника питания (рис. 6).
Рис. 6 — Схема простого источника питания
Слева — выпрямитель, с помощью которого получаем постоянное напряжение из переменного. Справа — стабилизатор.
Стабилитрон, стабистор
Стабилитрон и стабистор – разновидность полупроводниковых диодов, рассчитанные на стабилизацию напряжения на определенном уровне. При одинаковых задачах стабилитрон и стабистор имеют существенные отличия.
В основе работы стабилитрона лежат два механизма:
- Лавинный пробой p-n перехода
- Туннельный пробой p-n перехода (Эффект Зенера (англ.)русск. в англоязычной литературе)
На принципиальных электрических схемах позиционное обозначение стабилитронов — VD (ГОСТ 2.710-81), а в англоязычных странах — ZD.
Стабилитроны используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики, по сравнению с простыми диодами обладают достаточно низким напряжением пробоя (в случае обратного включения) и способны поддерживать регламентированное напряжение на одном уровне в условии весомых изменений силы обратного тока.
Стабисторы используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, при этом в области прямого смещения происходит падение напряжения до 0,7 – 2v и практически не зависит от тока.
Основными отличиями между стабилитронами и стабисторами являются: а) напряжение стабилизации у стабилитрона от 3 до 400v, когда у стабистора всего от 0,7 до 2v; б) использование противоположных ветвей вольт-амперной характеристики, вследствие чего разные способы включения в электрическую цепь.
Сопротивление токоограничивающего резистора рассчитывается по формуле:
Rогр = ( Uнест – Uвых ) / ( Iстаб + Iнагр ), где
Uнест – нестабилизированное напряжение;
Uвых – напряжение на выходе (стабилизированное);
Iстаб – ток стабилизации стабилитрона;
Iнагр – ток потребляемый нагрузкой;
Различают 3 вида стабилитронов: 1) прецизионные – стабилитроны с повышенной степенью стабильности; 2) быстродействующие – позволяющие улавливать кратковременные скачки напряжения; 3) двусторонние – стабилизирующие и ограничивающие двухполярное напряжение.
3 Cтабилитрон и стабистор
Стабилитрон — это прибор с двумя внешними выводами, то есть диод, напряжение на котором в рабочем режиме слабо зависит от протекающего через него тока и который используется для стабилизации напряжения.
Существуют две основные разновидности стабилитронов — газоразрядные и полупроводниковые. Последние, обладающие большей надежностью, меньшими габаритами и стоимостью, а также совместимостью с базовыми технологиями кремниевых микросхем, почти полностью вытеснили первые.
В кремниевых стабилизаторах используются два физических явления для стабилизации напряжения. Первое явление — нелинейность вольт-амперной характеристики невырожденного p-nперехода при прямом включении. В этом случае величина напряжения стабилизации невелика, определяется в первую очередь контактной разностью потенциаловp-n-перехода и уменьшается с повышением температуры стабилитрона. Кремниевый стабилитрон, работающий при прямом включении, часто называют стабистором.
Второе явление — нелинейность вольт-амперной характеристики невырожденного обратносмещенного p-n-перехода в режиме электрического пробоя. При этом величина напряжения пробоя регулируется толщинойp-n-перехода — чем больше толщина перехода, тем больше напряжение пробоя (то есть напряжение стабилизации). В этом случае влияние температуры стабилитрона на напряжение стабилизации определяется типом электрического пробоя.
При относительно тонком p-n-переходе (то есть переходе, пробой которого наступает при малых обратных напряжениях) определяющим оказывается туннельный пробой. В этом случае с повышением температуры стабилитрона напряжение стабилизации уменьшается.
При толстом p-n-переходе (то есть переходе, пробой которого наступает при больших обратных напряжениях) основную роль играет лавинный пробой, что ведет к тому, что с повышением температуры стабилитрона напряжение стабилизации увеличивается.
Стабилитроны и стабисторы широко распространены как в интегральном, так и в дискретном исполнении. В лабораторной работе исследуются два дискретных кремниевых стабилитрона при прямом и обратном включениях.
Научиться определять статические и дифференциальные параметры стабилитрона и стабистора.
Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:
— ознакомиться со справочными данными испытуемых стабилитронов и стабистора;
— провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) стабилитронов и стабистора при различных температурах;
— рассчитать дифференциальные параметры стабилитронов и стабистора.
3.3 Порядок работы и методы решения задач
3.3.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемых стабилитронов и стабистора, начертите их условное графическое обозначение, 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 3.1, проведите измерения статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) стабилитронов и стабистора /2, раздел 11-9; 3, раздел 3.3; 4, раздел 3.25/.
Перед включением измерительных приборов лабораторного макета в сеть, не забудьте проверить наличие заземления корпусов приборов.
Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам, методом вольтметра-амперметра. Принципиальная электрическая схема блока задания режимов стабилитронов показана на рисунке 3.2.
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 -30 мА.
При измерении статических ВАХ стабистора, также задавайте различные значения тока, но уже при его прямом смещении и измеряйте соответствующие им напряжения на стабисторе. Ток стабистора меняйте от нуля до +30 мА.
Измерения статических ВАХ стабилитронов и стабистора полностью повторите при температуре 60С.
Используя результаты полученных измерений, постройте статические ВАХ отдельно для каждого стабилитрона и стабистора, нанеся на графики ВАХ, измеренные при двух температурах.
3.3.3 По статическим ВАХ определите статические параметры стабилитронов и стабистора и укажите их на графиках /2, раздел 11-9; 3, раздел 3.3; 4, раздел 3.25/:
— напряжение стабилизации Uст;
— ток стабилизации Iст;
— минимальный ток стабилизации Iст.min.
3.3.4 На основе построенных статических ВАХ рассчитайте дифференциальные параметры стабилитронов и стабистора /2, раздел 11-9; 3, раздел 3.3; 4, раздел 3.25/ методом графического дифференцирования:
— дифференциальное сопротивление rст;
— температурный коэффициент напряжения стабилизации ст.
С целью сравнения качества приборов, дифференциальные параметры стабилитронов и стабистора 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 статических ВАХ стабилитрона и стабистора, уметь определять статические и дифференциальные параметры этих приборов, уметь оценить качество стабилитронов различных типов.
1 Баюков А.В. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. — М.: Энергоиздат, 1982. — 744 с.
2 Дулин В.Н. Электронные приборы: Учебник. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1977. — 424 с.
3 Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1980. — 383 с.
4 Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник. — 3-е изд., переработ. и доп. — М.: Высш. шк., 1981. — 431 с.
Стабилитрон, стабистор
Стабилитрон — радиодеталь, конструктивно напоминающая диод, но кардинально отличающаяся по характеру работы. Ключевым элементом, как и в обычной полупроводниковой лампе, является полупроводниковый p-n переход. И реакции обоих элементов на подачу обратного напряжения аналогичны — оба заблокированы. Отличие заключается в том, что режимом работы стабилитрона является пробой p-n перехода, который происходит при достижении обратного смещения некоторого критического значения и выключения диода.
В основе работы стабилитрона лежит то, что при достаточно больших изменениях обратного тока напряжение на элементе практически не меняется. Другими словами, каким бы значительным ни было обратное смещение, радиодеталь будет поддерживать постоянный уровень выходной разности потенциалов. Это стабилизированное напряжение можно использовать в качестве эталона, который используется в реальных электронных устройствах, критичных к электрическим характеристикам сигнала.
Классификация стабилитронов
В настоящее время выпускается широкий ассортимент стабилитронов, но вся их масса классифицируется по функциональным характеристикам и конструкции. В зависимости от параметров эти радиодетали делятся на следующие классы:
- прецизионные;
- двуханодные;
- быстродействующие.
Прецизионные отличаются высокой точностью стабилизации напряжения. Отклонения стабилизированной разности потенциалов на выходе из указанного куска не превышают 0,0001%. Точность сильно зависит от срока службы прецизионного стабилитрона и температуры полупроводника. В этом смысле для этих радиодеталей введены нормы эксплуатации, которые необходимо постоянно контролировать в процессе эксплуатации оборудования.
Двуханодный стабилитрон выполняет функцию двух стабилитронов, включенных встречно-встречно. Это позволяет элементу обрабатывать сигналы и напряжения различной полярности с одинаковой эффективностью. Изготавливается такая радиодеталь в едином технологическом цикле, когда на кристалле кремния вырастают два противоположных p-n перехода, но, в принципе, роль двуханодной радиодетали могут выполнять и два дискретных стабилитрона, соединенных между собой катодами.
И, наконец, стабилитроны третьего типа, быстродействующие, отличаются пониженной барьерной емкостью, вследствие чего сокращается длительность переходных процессов, происходящих в полупроводнике. Эти радиодетали являются лучшим решением для работы с импульсными сигналами. Конструктивной особенностью этих элементов является малая ширина p-n перехода, что обеспечивается за счет применения специальной технологии легирования полупроводников.
Стабистор
Немного иначе работают радиодетали, называемые стабилизаторами, о которых мы говорили ранее. Они выполняют ту же функцию, то есть стабилизируют выходное напряжение, но являются низковольтными. Обычные стабилитроны не способны работать при малых разностях потенциалов. При напряжении до 3 вольт условия для лавинообразного или туннельного разрыва p-n перехода отсутствуют. Для стабилизации более низких напряжений прибегают к другому решению, а именно используют не обратное, а прямое смещение.
Установлено, что в сильно легированном p-n-переходе дырки и электроны рекомбинируют таким образом, что при значительном прямом токе наблюдается эффект стабилизации выходного напряжения на уровне 2,5-3 вольт. Это обуславливает ключевое технологическое различие между стабилитронами и стабилизаторами. Последние предназначены для работы только в низковольтных радиоцепях.
Применение стабилитронов и стабисторов
Хорошие стабилизирующие свойства стабилитронов и стабилизаторов определяют основную область применения этих радиодеталей — создание фиксированного питающего и опорного напряжения в различных электронных устройствах. Первыми по распространенности стоят стабилитроны, используемые в блоках питания. Использование этих специализированных диодов обеспечивает стабильные параметры выходного напряжения при упрощении схемы.
В источниках питания с повышенными требованиями к точности выходных характеристик используются прецизионные стабилитроны. Эти элементы устанавливаются в высокоточном измерительном оборудовании и аналого-цифровых преобразователях. Стабилитроны с двойным анодом используются в ограничителях перенапряжения. Эти радиодетали в реальных схемах часто комбинируют с импульсными диодами. Быстродействующие стабилитроны в сочетании с СВЧ-диодами применяются в аппаратуре, работающей на СВЧ-частотах: передатчиках, радарах и т д.