Site Loader

Содержание

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 Uст – значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока Iст. В зависимости от толщины p-n перехода напряжение стабилизации может быть от 2 до 400 В. Рабочий участок ВАХ ограничен предельно допустимыми значениями тока Iст.min и Iст.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 rст, 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 Uвх должно быть больше напряжения пробоя стабилитрона Uст. Для ограничения тока через стабилитрон устанавливается балластный резистор Rб, на котором падает разность напряжений Uвх – Uст. Часть входного напряжения теряется на этом резисторе, а оставшаяся часть приложена к нагрузке. Функцию нагрузки в схеме выполняет сопротивление Rн, величину которого можно задавать при проведении исследования. Колебания входного напряжения Uвх или тока нагрузки Iн приводят к изменению тока через стабилитрон Iст.

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

– = (Uвх.макс – Uвх.мин)/Rб + Iн.макс – Iн.мин.

При выполнении условий:

; ,

где и – предельно допустимые токи стабилитрона, напряжение на нагрузке Uвых = Uст 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 Iпр в пределах от 1 мА до 100 мА (10…12 точек), произвести измерения прямого напряжения Uпр. Задавая значения обратного тока в пределах от 0,5 мА до величины Iст.max (10…12 точек), произвести измерения обратного напряжения Uобр. Построить графики прямой Iпр = f(Uпр) и обратной Iобр = f(Uобр) 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.

Статьи к прочтению:

Напряжение борт сети после доработки генератора в 100 амперный


Похожие статьи:

Какой вид имеет вольтамперная характеристика стабилитрона — MOREREMONTA

Напряжение на обратной ветви ВАХ стабилитрона в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – УГО стабилитрона и его вольтамперная характеристика

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне Uст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации Iст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. напряжение стабилизации Uст.

Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах Iст min. Iст max, называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизации Uст незначительно зависит от тока

Iст. Напряжение стабилизации связано с напряжением пробоя, но не равно ему, так как ВАХ имеет определенную крутизну.

В общем случае Uст определяется шириной запирающего слоя p-n-перехода, то есть концентрацией примесей в полупроводнике. В случае большой концентрации примеси p-n-переход получается тонким, и в нем даже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину, и лавинный пробой наступает раньше. Иногда помимо напряжения стабилизации нормируется разброс величины напряжения стабилизации ΔUстном, представляющий собой максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов одного типа.

2. минимально допустимый ток стабилизации Iст min.

При малых обратных токах стабилитрон работает на начальном участке вольтамперной характеристики, где значение обратного напряжения неустойчиво и может колебаться в пределах от 0 до Uст. Величина минимально допустимого тока стабилизации Iст min задает минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации Uст.

3. максимально допустимый ток стабилизации

Iст max.

Максимально допустимый ток стабилизации – это максимальный ток, при котором гарантируется надежная работа стабилитрона. Он определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью прибора. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения Iст max во избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.

4. номинальный ток стабилизации:

. (7)

5. номинальное напряжение стабилизации Uст ном – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока Iст ном

.

6. динамическое (дифференциальное) сопротивление – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока:

. (8)

Чем меньше rд, тем лучше стабилизация напряжения.

7. статическое сопротивление стабилитрона Rст в данной рабочей точке характеризует омические потери:

. (9)

8. коэффициент качества стабилитрона:

. (10)

Коэффициент качества представляет собой отношение относительного изменения напряжения на стабилитроне к относительному изменению тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше Q.

9. температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α

Uст показывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1°C и постоянном токе стабилизации:

,[%/°С]. (11)

В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает из-за уменьшения ширины запрещённой зоны. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей вследствие возрастания рассеяния на фононах решётки, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН.

Минимальный ТКН имеют кремниевые стабилитроны с напряжением пробоя 5-7 В, когда туннельный и лавинный пробои развиваются одновременно.

Путем последовательного соединения двух или более p-n-переходов с различными по знаку ТКН удается получить прецизионные стабилитроны с ТКН не более 0,0005 %/°C в широком диапазоне температур.

Лабораторно-практическая работа № 2

по предмету «Основы промышленной электроники»

Тема: «Расчёт параметров кремниевого стабилитрона»

— научиться применять знания, полученные при изучении дисциплины;

— приобрести навыки сборки лабораторных схем для изучения режимов работы стабилитронов

с последующим расчетом, анализом и экспериментальным определением параметров электронных элементов;

— изучение принципов работы, определение основных характеристик стабилитронов.

— воспитать у студентов целеустремленность при изучении учебного материала в течение

всего учебного года.

Оборудование: методические и справочные материалы, индивидуальное задание.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лабораторно-практическая работа предназначена для усвоения (закрепления) материала

теоретических занятий, развития практических умений.

Выполнение практической работы включает этапы: изучение исходных данных; выполнение работы;

оформление материалов; защита работы.

1.1. Сбор данных выполняется в следующем порядке: изучается инструкция по выполнению работы;

уясняется цель работы и последовательность действий; уточняются у преподавателя непонятные моменты; выполняются действия согласно пунктам раздела «Порядок выполнения…».

Оформление отчета.

Отчет оформляется индивидуально каждым учащимся в отдельных тетрадях. Отчет по каждой работе

должен включать следующие материалы согласно пунктам раздела «Порядок выполнения…».

Защита работы.

Для защиты выполненной работы учащийся должен: представлять цель и порядок выполнения

работы; изучить теоретический материал по теме; ответить на вопросы к защите и дополнительные

вопросы по данной теме; сдать для проверки выполненные материалы работы.

Защищенная лабораторно-практическая работа подписывается преподавателем с указанием числа

Выполненные в полном объеме лабораторно-практические работы являются допуском к зачету

(экзамену). Учащиеся, не защитившие всех лабораторно-практических работ, к зачету не

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Расчет параметров кремниевого стабилитрона

Общие сведения

При равномерном распределении тока лавинного пробоя по площади р–n-пере хода

полупроводниковый прибор способен пропустить значительный обратный ток без его

повреждения. Это явление используется в диодах малой мощности, получивших название

кремниевых стабилитронов или опорных диодов. Стабилитрон имеет схемное обозначение (рис.

При изготовлении стабилитронов наиболее широко используются сплавной и диффузионный

методы получения р–n-перехода. Исходным материалом при изготовлении стабилитронов служит

пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для

кремния. Кристалл с р–n-переходом помещается обычно в герметизированный металлический

Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении,

соответствующем обратному электрическому пробою р–n-перехода. Лавинный механизм

электрического пробоя р–n-перехода наблюдается как у кремниевых, так и у германиевых диодов.

Однако выделение тепла, сопровождающее эти процессы, приводит для германия к

дополнительной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину лавинного пробоя.

В этой связи в качестве исходного материала для полупроводниковых стабилитронов

используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.

Вольт -амперная характеристика стабилитрона

Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольт-амперная характеристика (рис. 2.2).

В прямом включении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.

Обратная ветвь характеристики имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Благодаря этому при изменении в широких пределах обратного тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов позволяет использовать их в качестве стабилизаторов.

Поскольку электрический пробой стабилитрона наступает при сравнительно низком обратном напряжении, то мощность, выделяющаяся в

р–n-переходе даже при значительных обратных токах, будет небольшой, что предохраняет р–n-переход от необратимого теплового пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока стабилитрона приводит, как и в обычных диодах,

к выходу прибора из строя.

Максимально допустимый ток стабилизации – ток, при котором достигается максимально допустимая мощность рассеивания . Это значение тока показано буквой на рис. 2.2.

Дифференциальное сопротивление – отношение приращения напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации

. (2.1)

. (2.2)

Величина характеризует степень постоянства напряжения стабилизации при изменении тока пробоя и определяется из построений, приведенных на рис. 2.3.

Максимальная мощность рассеивания – наибольшая мощность, выделяющаяся в р–n-переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды, %/°С,

Величина показывает на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры на 1 °С.

Важнейшие параметры стабилитрона соответствуют рабочей точке вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 2.2). Обычно точка располагается на середине рабочего участка обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона.

В качестве примера в табл. 2.1 приведены основные параметры стабилитрона Д814Д, используемого в цепях стабилизации блоков управления электровозов.

| следующая лекция ==>
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА | СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА И ПОЛУПРОВОДНИКА

Дата добавления: 2016-03-28 ; просмотров: 6189 | Нарушение авторских прав

Рабочим участком является участок электрического пробоя.

Uстаб. – напряжение стабилизации

Iстаб.min – минимальный ток стабилизации

Iстаб.max – максимальный ток стабилизации

Рабочий ток стабилитрона лежит в пределах от минимального до максимального тока стабилизации.

Степень наклона рабочего участка, характеризуется динамическим сопротивлением

Для идеального стабилитрона RД=0. Uстаб. =3 ÷ 200 В

Тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с несколькими чередующимися слоями n-p проводимости, чаще четырехслойной структуры p-n-p-n. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).

Название тиристора — от греческого слова thyra (тира), что означает «дверь» или «вход».

Вольтамперная характеристика тиристора.

У — управляющий электрод

Выше приведено схемное обозначение управляемого тиристора (триодный тиристор, тринистор). На практике при употреблении термина «тиристор» подразумевается именно этот элемент.

При положительной полярности: — участок ОА – тиристор закрыт.

— называется напряжением включения. Как только напряжение достигает значения, оно лавинообразно снижается – участок АВ

Способ управления повышением напряжения до не рекомендуется (тиристор открывается только один раз)

Чем больший ток подан на управляющий электрод, тем «колено ОАВ» меньше.

Если , (I у4 = I упр опт — управляющий ток отпирания), то ВАХ тиристора совпадет с ВАХ диода.

Когда тиристор вышел на рабочий участок ВС, можно отключить ток управления. Чтобы закрыть тиристор необходимо снизить анодный ток до тока удержания на достаточное время (время удержания). При смене полярности тока тиристор закрывается.

Тиристоры бывают двух видов:

  1. Не запираемые – это тиристоры, управляемые при подачи напряжения и тока на управляемый электрод.
  2. Запираемые – их исходное состояние – открыт. Чтобы закрыть запираемый тиристор необходимо подать ток обратной полярности относительно большой величины.

Изменяя угол α, можно регулировать среднее напряжение на нагрузке, чем больше α, тем меньше среднее напряжение на нагрузке.

Симметричные тиристоры или симисторы – это два тиристора включенных встречно — параллельно.

Слева дано обозначение неуправляемого тиристора (динистора). Он открывается при приложении между анодом и катодом напряжения больше

Параметры тиристоров

  1. Напряжение включения ( ) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние.
  2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (Uобр.max) – это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров Uвкл.= Uобр.max
  3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.
  4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (Uпр.= 0,5÷1 В)
  5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности.
  6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается
  7. Время отключения — это время в течение которого закрывается тиристор.
  8. Предельная скорость нарастания анодного тока . Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой .
  9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения . Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи.
  10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».
  11. Управляющее напряжение отпирания — это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».

Вольт-амперная характеристика диода

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой. Типовая характеристика диода представлена на рис. 3.

Рис. 3. Типовая вольт – амперная характеристика диода

Характеристику диода (при прямом включении) можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции: . Здесь обратный ток насыщенияIs  10-11А (для кремниевых диодов) и10-7 А (для германиевых), коэффициент эмиссии n  1…2 и температурное напряжение UT = kT/q  26 мВ при комнатной температуре. У реальных диодов характеристики отличаются от идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, и токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла.

При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольт-амперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя.

Основные параметры диода

  • Постоянное прямое напряжение Uпр – постоянное напряжение на диоде при заданном прямом токе.

  • Постоянный прямой ток Iпр – постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении.

  • Постоянный обратный ток Iобр — постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

  • Средний прямой ток Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период.

  • Средний обратный ток Iобр.ср.обратный ток, усредненный за период.

  • Дифференциальное сопротивление диода rдиф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

  • Рабочая частота – частота, при которой обеспечиваются заданные токи, напряжение и мощность.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитрон (диод Зенера)полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 4. По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

Рис. 4. Условное обозначение стабилитрона

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Типовая статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 5.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации Uст. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения . Стабилизация тем лучше, чем круче идет эта кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление.

Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации Iст мин, определяемым началом пробоя, а сверху – максимальным током стабилизации Iст макс, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора.

Стабилитрон — Физическая энциклопедия

СТАБИЛИТРОН газоразрядный — ионный прибор, предназначенный для поддержания на неизменном уровне (стабилизации) напряжения источников питания или узлов радиоэлектронной аппаратуры. С. представляют собой двухэлектродные устройства, к-рые в зависимости от вида электрич. разряда, используемого в них, подразделяются на С. тлеющего разряда и С. коронного разряда.

Стабилитроны тлеющего разряда имеют почти горизонтальную вольт-амперную характеристику (рис. 1). Стабилизирующее действие основано на незначительном изменении падения потенциала в тлеющем разряде в довольно большом диапазоне токов Iстмин-Iстмакс, соответствующих нормальному тлеющему разряду (1-10 мА). Такую характеристику имеет С. при условии небольших межэлектродных расстоянии, когда полное падение потенциала между анодом и катодом равно катодному падению потенциала, величина к-рого остаётся практически неизменной. Конструктивно С. тлеющего разряда выполняются с цилиндрич. концентрич. электродами. Функции анода выполняет стержень или проволока; окружающий её цилиндр является катодом. Баллон вакуумируется и наполняется смесью инертных газов, вариации к-рых вместе с разл. технол. способами обработки катодов позволяют изменять диапазон стабилизации напряжения от 50 до 160 В; срок использования С. более 10 000 ч. Осн. параметры С. тлеющего разряда: UB — напряжение возникновения разряда; UП — напряжение поддержания разряда, соответствующее напряжению стабилизации Uст; — изменение напряжения стабилизации при изменении тока в рабочем диапазоне;-макс. и мин. значения токов, между к-рыми осуществляется стабилизация напряжения; RД — дифференц. сопротивление С., характеризующее стабилизир. действие прибора; ТКН — температурный коэф. напряжения стабилизации, характеризующий изменение напряжения С. при изменении темп-ры окружающей среды.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика стабилитрона тлеющего разряда.

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики положительной короны для Н2 и Аr.

Стабилитроны коронного разряда используются для стабилизации более высоких напряжений (до 30 кВ). В основе работы приборов этого типа также лежит почти независимость U от I: вольт-амперная характеристика коронного разряда при определ. выборе геом. параметров и газового наполнения прибора близка к горизонтальной (рис. 2). В С. коронного разряда используется положит. корона (коронирующий электрод меньшего радиуса — анод) в водороде с давлением превышающим атмосферное. Конструктивно эти приборы выполняются в металлокерамич. баллоне с бесцокольным оформлением и выводами в разные стороны. Параметры С. коронного разряда такие же, как у С. тлеющего разряда, особенностью лишь является отсутствие у С. коронного разряда различия между напряжением возникновения разряда и напряжением стабилизации при Uст > 4 кВ.

Лит.: Каганов И. Л., Ионные приборы, М., 1972; см. также лит. при ст. Ионные приборы. А. С. Шипалов.

      Предметный указатель      >>   

Схемы исследований — Студопедия

1.1. Схема для измерения вольт-амперной характеристики стабилитрона представлена на рис. 2.2.1. Схема собирается на основе монтаж­ного шасси и комплекта соединительных проводов. Питание стабилитрона осуществляется от источника 0-300 В (гнезда Г1 блока 1 измерительно­го стенда). Величина питающего напряжения изменяется автотрансформа­тором типа ЛАТР, расположенным слева под крышкой лабораторного стола. Последовательно со стабилитроном включен резистор Rб, ограничиваю­щий ток через стабилитрон.

1.2. Для исследования последовательного и параллельного соедине­ния стабилитронов используются схемы, представленные на рис.2.2.2 к 2.2.3. В схеме, представленной на рис.2.2.3 миллиамперметры включа­ются в катодные цепи стабилитронов для уменьшения числа соединитель­ных проводов. При сборке схем, представленных на рис.2.2.2 и 2.2.3 необходимо использовать дополнительные выводы на цоколе стабилитрона.

1.3. При проведении измерений запрещается пропускать ток через стабилитрон свыше 30 мА .

2. Порядок выполнения работы

2.1. Собрать схему, представленную на рис. 2.2.1. Установить не­обходимые пределы измерении измерительных приборов.


2.2. После проверки схемы преподавателем определить с точностью до 1 В напряжение зажигания стабилитрона Uз (оно отмечается по по­явлению свечения в баллоне) и соответствующий ему ток.

2.3.Изменяя напряжение источника питания Е от 0 до величины на 1…9B меньшей, чем Uз ,c интервалом 10 В, измерять Uст и Iст.

2.4.Сразу после зажигания стабилитрона установить интервал из­менения Е равным 2 В, продолжая измерения Uст и Iст.

2.5.После того, как Iст перестает заметно изменяться, снова изменять напряжение Е с интервалом, равным 10 В до тех пор, пока ток Iст не станет равным 30 мА. После второго сразу же! прекратить увеличение Е.

2.6.При выключенном питании стенда собрать схему, представленную на рис.2.2.2.

2.7.После проверки схемы преподавателем определить напряжение зажигания двух последовательно включенных стабилитронов.

2.8.Измерить вольт-амперную характеристику двух последовательно соединенных стабилитронов, для чего повторить измерения по пп.2.3-2.5.

2.9.При выключенном питании стенда собрать схему, представлен­ную на рис.2.2.3.

2.10.После проверки схемы преподавателем определить напряжение зажигания двух параллельно включенных стабилитронов.

2.11.Измерить вольт-амперную характеристику двух параллельно включенных стабилитронов в режиме нормального тлеющего разряда для чего повторить измерения по пп.2.3-2.5.

2.12. Предъявить данные измерений для проверки преподавателю.

3. Обработка результатов измерений.

Построить вольт-амперную характеристику стабилитрона и двух последовательно и параллельно включенных стабилитронов, как зависимость Uст=f(Iст). На полученных характеристиках отметить Uзаж, Imax, Imin, определить рабочий диапазон токов Imax – Imin, изменение напряжения стабилизации DUст в ра­бочем диапазоне токов, статическое сопротивление Rст=V/I и дифференциальное сопротивление Ri=dU/dI в середине диапазона рабочих токов.


Определить коэффициент стабилизации по напряжению

где DЕ — изменение напряжения источника питания; DU — соответствующее изменение напряжения на стабилитроне. DE и DU определять графически с помощью нагрузочных прямых прямых. Уравнение нагрузочной прямой

В данной работе Rб=5,1 кОм; Е выбирается таким образом. чтобы нагрузочная прямая пересекала вольт-амперную характеристику в точках, соответствующих Imax и Imin.

Сделать вывод о возможности практического использования последовательного и параллельного включения стабилитронов (с обоснованием).

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

— наименование и цель работы;

— паспортные данные исследуемого стабилитрона;

— схемы исследования;

— таблицы измеренных данных;

— графики вольт-амперных характеристик для одиночного стабилитрона и двух стабилитронов, включенных последовательно и параллельно;

— расчет параметров стабилитрона по его вольт-амперной характеристике;

— графическое определение коэффициента стабилизации;

— выводы по проделанной работе.

Лабораторная работа № 2.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРА

Цадь работы: изучение свойств маломощных тиристоров, измерение их характеристик и параметров. В работе измеряются прямые и обратные ветви вольт-амперной характеристики тиристора при различных значениях управляющего тока. [l,c.I75-I82 ] , [2.с.395-395] , [3,с.252-267].


1. Схемы исследования

Схема для измерения характеристик представлена на рис.2.3.1.

Схема собирается на монтажном шасси с помощью комплекта соединительных проводов. В схеме используется источник питания анодного напряжения 0-300 В (гнезда Г1 блока 1 измерительного стенда) и источник уп­равляющего напряжения 0-50 В (гнезда Г6 блока 2 измерительного стенда). Резисторы R1=20 кОм и R2=6,8 кОм введены в схему для ограничения токов управляющего и прямого тока тиристора в режиме включения. Напряжение источника питания анодной цепи регулируется автотрансформатором, расположенным слева под крышкой лабораторного стола, величина его контролируется вольтметром V1, расположенным на лицевой панели блока 1 лабораторного стенда.

Миллиамперметр мА1 измеряет ток в цепи управления, а мА2 — анодный ток тиристора. Пределы измерения миллиамперметров указаны на схеме.

Пределы измерений вольтметра V2, который измеряет анодное напряжение тиристора, меняется в процессе выполнения работы.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Собрать схему, представленную на рис. 2.3.1.

2.2. После проверки схемы преподавателем измерить прямые ветви вольт-амперных характеристик тиристора Iпр=f(Uпр) при Iупр=const.

2.2.1. Отсоединить провод, соединяющий гнезда Г6 и мА1, т.е. разорвать управляющую цепь и сделать управляющий ток равным нулю Iупр=0.

2.2.2. Менять анодное напряжение тиристора от 0 до напряжения включения Uвкл с интервалом 20 В. Напряжение включения — это то напряжение на тиристоре, при котором происходит включение тиристора и напряжение на нем скачкообразно падает (до десятых долей Вольта). Изменение напряжения на тиристоре производить плавно, чтобы точно определить Uвкл. В таблицу записывать значение прямого тока.

2.2.3. После скачкообразного уменьшения напряжения на тиристоре установить предел измерения вольтметра V2 — 1…3 В для точного измерения напряжения на открытом тиристоре.

2.2.4. Регулируя входное напряжение U1, изменять ток открытого тиристора Iпр от 15мА до минимального значения Iвыкл, соответствующего выключению тиристора, с интервалом 5мА. В таблицу записываются значения Uпр откр. Отдельно зафиксировать значение тока Iвыкл.

2.2.5. Установить предел измерения вольтметра V2 — 0…300 В.

2.2.6. Подключить источник управляющего тока — соединить прово­дом миллиамперметр мА1 и гнезда Г7.

2.2.7. Последовательно установить значения управляющего тока Iупр=0,2;0,3;0,4 и 0,5мА. Для каждого значения Iупр повторить процесс измерения прямой ветви вольт-амперных характеристик, т.е. по­вторить измерения по пп. 2.2.2-2.2.5.

2.3. Измерить обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора Iобр=f(Uобр) при Iупр=0.

2.3.1. Выключить питание блока 1 лабораторного стенда.

2.3.2. Отключить источник управляющего напряжения.

2.3.3. Изменить полярность включения источника анодного питания тиристора на обратную.

2.3.4. Изменить полярность включения измерительных приборов: вольтметра V2 и миллиамперметра мА2 на обратную. Установить пределы измерения V2 0-300 В, миллиамперметра мА2 — 0-0,75 мА.

2.3.5. Включить питание блока 1 лабораторного стенда.

2.3.6. Измеряя обратное напряжение от 0 до 200 В с интервалом 20 В, записывать в таблицу значения Iобр.

3. Обработка результатов измерений

3.1. По результатам измерений строятся графики вольт-амперных характеристик тиристора. Прямую и обратную ветви характеристики стро­ить на одном рисунке, используя разные масштабы по оси токов. Прямую ветвь характеристики строить для пяти значений управляющего тока Iупр= 0; 0,2; 0,3; 0.4; 0,5 мА.

3.2. По результатам измерений построить график зависимости нап­ряжения включения от величины управляющего тока Uвкл=f(Iупр).

3.3. Построить график зависимости тока выключения тиристора от величины управляющего тока Iвыкл=f(Iупр).

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

— наименование и цель работы;

— паспортные данные исследуемого тиристора;

— схему исследования тиристора;

— таблицы с данными измерений;

— вольт-амперные характеристики тиристора при различных значениях уп­равляющего тока;

— график зависимости напряжения включения от величины управляющего тока;

— график зависимости тока включения тиристора от величины управляюще­го тока;

— выводы по проделанной работе.

Лабораторная работа № 2.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЯМБДА-ДИОДА

Цель работы; изучение принципа действия лямбда-диода, измерение его характеристик и параметров. В работе измеряются прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики лямбда-диода, измеряется семейст­во выходных характеристик полевого транзистора о управляющим p-n переходом, на котором строится характеристика лямбда-диода,. Рассчитывается теоретическая характеристика лямбда-диода. [1,с.183-197]; [3,c.268-277]; [6,c.38-56].

1. Схемы исследования

Лямбда-диод представляет из себя два полевых транзистора с управляющим p-n-переходом и каналами разного типа проводимости, соединенных по схеме, представленной на рис..2.4.1. Вольт-амперная харак­теристика такого соединения напоминает букву греческого алфавита l (лямбда).

При выполнении работы измеряются вольт-амперная характеристика лямбда-диода и выходные характеристики полевых транзисторов, из которых собран l -диод.

На рис.2.4.2 представлена схема для измерения семействе выходных характеристик полевого транзистора с p-n-переходом с каналом типа «р».

Она собирается на монтажном шасси универсального измерительного стенда с помощью комплекта соединительных проводов. Напряжение питания подается с блока 3 стенда. Напряжения Uси, Uзи и ток стока измеряются вынесенными стрелочными измерителями.

Схема для измерения прямой ветви вольт-амперной характеристики лямбда-диода представлена на рис.2.4.3.а; обратной ветви – на рис.2.4.3.б.

Схемы собираются на монтажном шасси с использованием трафарета, предназначенного для измерения прямой ветви вольт-амперной характеристики полупроводниковых диодов. Напряжение питания подается с блока 5. Пределы измерений измерительных приборов указаны в схемах (рис.2.4.3.а и 2.4.3.б).Схемы отличаются друг от друга только bkлючением лямбда-диода.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Собрать схему, приведенную на pиc.2.4.2. Установить рукоятки регулировок напряжений в положение, соответствующее нулевому напряжению, — повернуть до упора против часовой стрелки. Предъявить схему для проверки.

2.2. Измерить выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом: Ic=f(Uси) при Uзи=const. Напряжение Uси изменять от 0 до 3 В о интервалом 0,2 В. Напряжение Uзи поддерживать постоянным, последовательно задавая ему значения 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 В и т.д. до напряжения отсечки (Uзи отс — такое напряжение Uзи, при котором ток стока становится равным нулю, если Uси¹0). Данные измерений занести в таблицу.

2.3. Собрать схему, приведенную на рис.2.4.3.а. Установить рукоятку регулировки напряжения в положение, соответствующее нулевому напряжению.

2.4. Измерить прямую ветвь вольт-амперной характеристики лямбда-диода. Напряжение источника менять от 0 до 3 В о интервалом 0,2 В. Данные измерений прямого тока записывать в таблицу.

2.5. Включить лямбда-диод в полярности, указанной на рис.2.4.3.б.

2.6. Измерить обратную ветвь вольт-амперной характеристики лямб­да-диода. Напряжение источника изменять от 0 до такого значения, при котором обратный ток достигнет значения 0,5 мА. Данные измерений обратного тока записывать в таблицу.

3. Обработка результатов измерений

3.1. Построить выходные характеристики полевого транзистора Iс=f(Uси) при Uзи= 0; 0,2; 0,4; 0,6; … Uзи отс. Плавной кривой соединить точки на характеристиках, удовлетворяющие условию Uзи=- Uси.

3.2. В предположении симметричности семейств выходных характеристик полевых транзисторов, образующих лямбда-диод (см.рис.2.4.1), справедливо соотношение

где U -приложенное к лямбда-диоду напряжение. Если «+» источника приложен к стоку транзистора VT1, это напряжение называем положительным. Рост положительного напряжения сопровождается увеличением запирающего напряжения на затворах. В результате ток через лямбда-диод сначала возрастает, пока влияние сужения каналов незначительно, потом рост его замедляется и начинается спад. При U/2>½ Uзи отс½каналы в полевых транзисторов полностью перекрываются и ток через лямбда-диод прекращается.

При отрицательном внешнем напряжении ( “-“ источника приложен к стоку транзисторе VT1) ток лямбда-диода определяется открытыми электронно-дырочными переходами затворов.

3.3. Прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики лямбда-диода, измеренные экспериментально (пп.2.4, 2.6) строить на одном графике в одинаковом масштабе. На участке характеристики с отрица­тельным наклоном определять дифференциальное сопротивление

3.4. Аналогичное выражение для прямой ветви вольт-амперной характеристики лямбда-диода получается из уравнений для семейства вы­ходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом для ненасыщенного и насыщенного режимов работы путем подстановки.

3.5. Разработать блок-схему алгоритма вычисления теоретической вольт-амперной характеристики лямбда-диода, Текст программы записать на языке FORTRAN или BASIC.

3.6. Рассчитать на ЭВМ характеристику, задавая переменную X от 0 до 1 с интервалом 0,05.

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

— наименование и цель работы;

— схемы измерений;

— таблицы измерений;

— вольт-амперную характеристику лямбда-диода, построенная на семействе выходных характеристик полевого транзистора.

— измеренную вольт-амперную характеристику лямбда-диода;

— блок-схему алгоритма вычисления теоретической характеристики, текст программы и график теоретической характеристики;

— выводы по работе.

вольт-амперная характеристика стабилитрона — это… Что такое вольт-амперная характеристика стабилитрона?

вольт-амперная характеристика стабилитрона

 

вольт-амперная характеристика стабилитрона

Черт.3
[ГОСТ 25529-82]

Тематики

  • полупроводниковые приборы

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

  • вольт-амперная характеристика солнечного элемента, модуля, батареи
  • вольт-амперная характеристика туннельного диода

Смотреть что такое «вольт-амперная характеристика стабилитрона» в других словарях:

  • СТАБИЛИТРОН — газоразрядный ионный прибор, предназначенныйдля поддержания на неизменном уровне (стабилизации) напряжения источниковпитания или узлов радиоэлектронной аппаратуры. С. представляют собой двухэлектродныеустройства, к рые в зависимости от вида… …   Физическая энциклопедия

  • СТАБИЛИТРОН — (от лат. stabilis устойчивый, постоянный) полупроводниковый полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации напряженияв электрич. цепях (см. Стабилизация тока и напряжения). Представляетсобой диод, работающий при обратном напряжении;… …   Физическая энциклопедия

  • Диод Зенера — Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах Обозначение двуханодного стабилитрона на принципиальных схемах Типовая схема включения стабилитрона …   Википедия

  • Зенеровский диод — Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах Обозначение двуханодного стабилитрона на принципиальных схемах Типовая схема включения стабилитрона …   Википедия

  • ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ — графические изображения и элементы многочисленных и разнообразных приборов и устройств электроники, автоматики, радио и вычислительной техники. Проектирование и разработка базовых электронных схем и создаваемых из них более сложных систем как раз …   Энциклопедия Кольера

  • Бандгап — Зависимость напряжения на выходе ИС TL431  простейшего бандгапа по трёхтранзисторной схеме Видлара  от температуры. Средняя кривая  идеальное попадание VREF в номинальное значение (2,495В), верхняя и н …   Википедия

Исследование вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов и стабилитронов

Цель работы

1 Изучить принципы функционирования полупроводниковых диодов и стабилитронов

2 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

 

1.1 Теоретические сведения

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним pn-переходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе кремния или арсенида галлия. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение (УГО) и буквенное обозначение даны на рис.1.1. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода Iпр.max и максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max.

 

Рис. 1.1 ВАХ и УГО диода

 

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Он имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Благодаря этому эффекту стабилитроны широко применяются в источниках питания. Вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2 ВАХ и УГО стабилитрона

 

В стабилитронах для создания pn-перехода, используются материалы с высокой концентрацией примесей. При относительно небольших обратных напряжениях в pn-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 и туннельный пробои pn-перехода. Туннельный пробой pn-перехода в англоязычной литературе называется эффектом Зенера, поэтому стабилитрон имеет еще одно название — диод Зенера.

Основными характеристики стабилитронов являются:

— напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации;

— температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации;

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

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

 

1.2 Проведение компьютерного эксперимента

1.2.1 Запустить программу MicroCap.

1.2.2 Составить схему для снятия вольт-амперной характеристики, согласно показанной на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема для снятия ВАХ диода

 

В зависимости от номера бригады по указанию преподавателя использовать следующие диоды:

 

1 – 1N4001 4 – 1N4148
2 – 1N4007 5 – 1N4106
3 – 1N4008 6 – 1N4110

 

1.2.3 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить вольт-амперную характеристику диода.

1.2.3.1 Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве переменной значение напряжения источника V1, закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 1.4. Установить автомасштабирование графиков.

 

Рис. 1.4 Окно установок анализа по постоянному току

 

1.2.3.2 Для того, чтобы отобразить вольт-амперную характеристику диода, необходимо задать в качестве выражения по оси Х – напряжение от источника V1 схемы V(D1), а в качестве выражения по оси Y – ток диода D1 схемы I(D1).

1.2.3.3 Запустить анализ, при необходимости подобрать масштаб отображения, изменяя диапазон значений переменной V1. Полученную вольт-амперную характеристику занести в отчет.

1.2.4 Составить схему для снятия вольт-амперной характеристики, согласно показанной на рис. 1.5.

В зависимости от номера бригады по указанию преподавателя использовать следующие стабилитроны:

1 – BZV90C30 4 – BZX55C3V6
2 – BZV85-C33 5 – BZX55C3V9
3 – BZV85-C3V6 6 – BZX55C5V1

Рис. 1.5 Схема для снятия ВАХ стабилитрона

 

1.2.5 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить вольт-амперную характеристику стабилитрона.

1.2.5.1 Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве переменной значение напряжения источника V1, закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 1.4. Установить автомасштабирование графиков.

1.2.5.2 Для того, чтобы отобразить вольт-амперную характеристику стабилитрона, необходимо задать в качестве выражения по оси Х – напряжение от источника V1 схемы DCINPUT1, а в качестве выражения по оси Y – ток стабилитрона D1 схемы I(D1).

1.2.5.3 Запустить анализ, при необходимости подобрать масштаб отображения, изменяя диапазон значений переменной V1. Полученную вольт-амперную характеристику занести в отчет.

1.2.6 Определить статическое и динамическое сопротивление по вольтамперным характеристикам.

Чтобы определить статическое сопротивление в какой-либо точке ВАХ, например в точке А (рис. 1.6), необходимо найти напряжение и ток, соответствующие этой точке, и применить закон Ома:

.

 

Динамическое (дифференциальное) сопротивление находится как отношение приращений напряжения DU и тока DI (рис. 1.6):

Рис. 1.6 Определение статического и динамического сопротивлений по вольтамперной характеристике

1.3 Содержание отчета

— название и цель лабораторной работы;

— схема для снятия и ВАХ диода;

— схема для снятия и ВАХ стабилитрона;

— расчет статического и динамического сопротивления диода и стабилитрона;

— краткие выводы по результатам работы.

 

1.4 Контрольные вопросы

1 Почему прямая ветвь начинает хорошо проводить ток только по достижении некоторого напряжения (порядка 1В)?

2 Почему в обратном направлении диод практически не проводит ток?

3 Как отличаются друг от друга статическое и динамическое сопротивления прямой ветви диода?

4 Как соотносятся статическое и динамическое сопротивления прямой ветви диода?

5 Как соотносятся статические сопротивления прямой и обратной ветвей диода?

Лабораторная работа 2

Что такое стабилитрон? — Работа, характеристики и применение

Определение : стабилитрон специально разработан для работы в области пробоя при обратном смещении. Его еще называют пробивным диодом. Чтобы добиться резкого напряжения пробоя, его должным образом легируют. Американский ученый К. Зинер объяснил феномен пробоя.

В предыдущей статье мы обсуждали диоды. По механизму работы диоды можно разделить на разные типы.Таким образом, они по-разному разрабатываются для конкретных приложений.

В качестве переключающих элементов используются различные диоды: стабилитрон, туннельный диод, варакторный диод, диод Шоттки, силовые диоды и т. Д. В этой статье мы обсудим стабилитрон и его применение.

Обозначение стабилитрона

Конструкция стабилитрона

Существуют различные методы производства стабилитронов, такие как диффузная структура , диффузная структура , и пассивированная структура и диффузная структура сплава . В диффузной структуре стабилитрона две подложки N и P диффузировали вместе и имели металлические слои, нанесенные с обеих сторон для соединения анодных и катодных выводов с обеих сторон.

В пассивированной структуре стабилитрона края перехода покрыты слоем оксидов кремния.

Диффузные структуры из сплава имеют все стыки, покрытые слоем оксидов кремния для предотвращения стыков. Обычно диффузионные структуры из сплавов дают лучшие характеристики при более низких напряжениях стабилитрона.Напротив, пассивированная и рассеянная структура дает лучшие характеристики при более высоких напряжениях.

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон похож на обычный диод с PN переходом, за исключением того, что он правильно легирован для достижения резкого напряжения пробоя. Существует два типа механизмов, с помощью которых может происходить пробой в обратном PN-переходе: лавинный и пробой стабилитрона .

Стабилитрон

Пробой стабилитрона происходит из-за высокого обратного напряжения.При приложении высокого обратного напряжения ширина обедненного слоя увеличивается. Из-за этого потенциальный барьер увеличивается, и на стыке создается сильное электрическое поле. Это сильное электрическое поле разрывает ковалентную связь, и генерируется большое количество неосновных носителей заряда.

Таким образом, ток внезапно увеличивается из-за движения неосновных носителей заряда и иногда приводит к пробою перехода. Это называется пробоем стабилитрона . Это наблюдается в диодах с обратным напряжением менее 5 вольт.

Лавина

Механизм лавинного пробоя проявляется, когда обратное напряжение становится чрезвычайно высоким. При таком высоком обратном напряжении неосновные носители получают чрезвычайно высокую кинетическую энергию. Благодаря чему они легко отрывают электроны от ковалентной связи.

Таким образом, эти свободные электроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами, высвобождая больше электронов. Таким образом, ток становится очень большим, что приводит к пробою диода. Лавинный пробой происходит, когда обратное напряжение на становится выше 5 В.

Стабилитрон может использовать любой из этих двух механизмов пробоя. Несмотря на то, что существует два типа механизма пробоя, все же предпочтительным является только имя Зенера. И кремний, и германий могут использоваться для создания стабилитрона, но кремний часто используется, потому что он может работать при более высоких температурах, а токовая нагрузка кремния высока.

Вольт-амперные характеристики стабилитрона

Мы уже обсуждали ранее, что когда обратное напряжение увеличивается в определенной точке, происходит пробой перехода из-за большого обратного тока.Напряжение, при котором ток начинает быстро нарастать и достигается стадия пробоя, называется напряжением Зенера. Ток, который быстро увеличивается, называется током Зенера .

На диаграмме представлены вольт-амперные характеристики кремниевых и германиевых диодов. Он работает в области пробоя, а ток ограничивается динамическим сопротивлением, называемым импедансом Зенера. Величина напряжения стабилитрона зависит от количества легирования.

Прямые характеристики стабилитрона аналогичны характеристикам обычного диода с PN переходом.Но обратные характеристики немного другие. При работе в зоне поломки не сгорает сразу. Пока ток через диод ограничен внешней цепью в допустимых пределах, он не перегорает.

Сильнолегированный диод будет иметь очень тонкий обедненный слой. Таким образом, напряжение стабилитрона будет очень низким. Таким образом, обедненный слой и напряжение стабилитрона можно контролировать с помощью концентрации легирования.

Импеданс стабилитрона: Это динамическое сопротивление стабилитрона.Он представлен r z.

r z = ΔV z / Δ I z

Применение стабилитрона

1. Стабилитрон как регулятор напряжения: Регулятор напряжения — это устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение, не беспокоясь об изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Стабилитрон используется в качестве стабилизатора напряжения.

Напряжение питания Vs и сопротивление Rs рассчитаны таким образом, чтобы диод работал в области пробоя.Кроме того, резистор Rs используется для ограничения величины обратного тока через диод. Напряжение на диоде Vz, которое равно напряжению на нагрузке R L , является напряжением стабилитрона V z.

Кроме того, последовательный резистор Rs поглощает избыточный ток для поддержания постоянного выходного напряжения. Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение, устраняет влияние колебаний напряжения и обеспечивает регулировку напряжения.

2. Для операций переключения: Стабилитрон используется в качестве переключателя.Это из-за его способности производить переход от низкого тока к сильному. Таким образом, он используется как переключатель.

3. В качестве ограничителя: стабилитрон используется в цепи формирования сигнала в качестве ограничителя. Он используется для ограничения формы входного сигнала в определенных приложениях.

4. В качестве эталонного элемента: В различных схемах эталонные элементы необходимы для сравнения напряжений с эталонным значением. Таким образом, в таких схемах в качестве эталонного элемента используется стабилитрон.

5. Защита измерителя: Стабилитрон используется в электронных схемах для защиты мультиметра. В некоторых случаях избыточный ток протекает по цепи и повреждает мультиметр. Таким образом, стабилитроны защищают его от повреждений, обеспечивая регулировку напряжения.

Стабилитрон

имеет важное значение для использования в области пробоя. Благодаря своим легирующим характеристикам стабилитрон предназначен для использования при высоком пробивном напряжении.

Каков принцип стабилитрона?

Введение

В этом видеоуроке по электронике представлено базовое введение в стабилитрон , который используется в качестве стабилизаторов напряжения в цепях постоянного тока.

Каталог


1.1 Терминология

Стабилитрон является активным устройством. В нем используется состояние обратного пробоя pn-перехода, чтобы обеспечить возможность изменения тока в широком диапазоне и постоянного напряжения, то есть диод имеет эффект регулирования напряжения. Этот диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление до тех пор, пока не будет достигнуто критическое обратное напряжение пробоя. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление снижается до небольшого значения, в этой области низкого сопротивления ток увеличивается, а напряжение остается постоянным.Так что стабилитрон используется в первую очередь как регулятор напряжения или компонент опорного напряжения.

Когда обратное напряжение стабилитрона достигает определенного значения, обратный ток внезапно увеличивается, и стабилитрон входит в область пробоя, но он не повреждает, а работает в нормальном состоянии, которое является самым большим. отличие от обычного диода.

После перехода в это рабочее состояние, даже если обратный ток изменяется в широком диапазоне, обратное напряжение на стабилитроне может оставаться практически неизменным.С другой стороны, если обратный ток продолжает увеличиваться до определенного значения, стабилитрон полностью выйдет из строя и повредится.

Следовательно, когда используется стабилитрон, он должен быть включен последовательно с токоограничивающим резистором . В противном случае его потребляемая мощность превышает указанное значение, что может привести к повреждению устройства.

1.2 Расчет сопротивления стабилизации напряжения

Характеристики цепи стабилитрона связаны с динамическим сопротивлением в состоянии пробоя, а также со значением сопротивления резистора регулятора напряжения R.Чем меньше динамическое сопротивление стабилитрона, тем больше регулятор напряжения R и тем лучше характеристики регулирования напряжения.

Динамическое сопротивление стабилитрона зависит от рабочего тока. Чем больше рабочий ток, тем меньше динамическое сопротивление. Следовательно, чтобы обеспечить хороший эффект регулирования напряжения, рабочий ток должен быть выбран правильно. Рабочий ток больше, чем можно эффективно уменьшить динамическое сопротивление, но не превышает максимально допустимый ток (или максимальную рассеиваемую мощность) диода.А рабочий ток и максимально допустимый ток для различных типов диодов можно найти в инструкции.

Стабильность стабилитрона также зависит от температуры. При изменении температуры изменяется и его стабильное напряжение, которое обычно выражается температурным коэффициентом стабильного напряжения.

а. Когда входное напряжение является наименьшим, а ток нагрузки максимален, ток, протекающий через стабилитрон, минимален.При этом IZ не должно быть меньше IZmin, тем самым рассчитывая максимальное значение резистора стабилизации напряжения, а фактически выбранное сопротивление стабилизации напряжения должно быть меньше максимального значения, которое составляет

.

г. Когда входное напряжение наибольшее, а ток нагрузки наименьший, ток, протекающий через стабилитрон, является наибольшим. В это время IZ не должно превышать IZmax , тем самым рассчитывая минимальное значение сопротивления стабилизации напряжения.что составляет

(R мин. макс. )

1,3 Символ стабилитрона

1,4 Вольт-амперная характеристика

Рисунок 1. Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперные характеристики стабилитрона аналогичны характеристикам обычного диода, за исключением того, что

(1) крутая обратная кривая пробоя

(2) работает при обратном пробое

Обычно используемые значения регулирования напряжения: 3.3 В, 3,6 В, 3,9 В, 4,7 В, 5,1 В, 5,6 В, 6,2 В, 15 В, 27 В, 30 В, 75 В

1,5 Типовая схема регулирования напряжения

Рисунок 2. Типовая схема регулирования

1.6 Влияние положительной и отрицательной последовательностей

1. В схеме усилителя мощности затвор G и источник S силовой лампы всегда последовательно соединены с стабилитроном, который защищает GS путем ограничения напряжение и предотвращает пробой изоляционного слоя между GS из-за слишком высокого напряжения.

2. Когда два диода соединены последовательно в обратном порядке, цепь, соединенная параллельно, может обеспечить защиту от перенапряжения. Когда в цепи повышено напряжение, сначала пробивается диод, что приводит к короткому замыканию.

Основная функция стабилитрона — стабилизация напряжения. Необходимо следить за тем, чтобы ток через резистор ограничения последовательного тока не превышал установленный предел. Если нет токоограничивающего резистора, он может обеспечить только единственную защиту от перенапряжения, и легко вызвать постоянный отказ в лавинном пробое, что приведет к короткому замыканию.Как правило, источник питания процессора можно подключить параллельно с стабилитроном, напряжение которого на 20% выше, чем его рабочее напряжение. Когда источник питания вызывает слишком высокое напряжение, стабилитрон имеет обратную проводимость, чтобы защитить ЦП от сгорания. Для нормальной работы достаточно только проверить блок питания и заменить стабилитрон.

Из вышеизложенного видно, что стабилитрон находится в пробое обратного тока, в пределах определенного диапазона тока (или в пределах определенного диапазона потерь мощности), напряжение на клеммах почти постоянно, что свидетельствует о характеристиках регулирования напряжения.Это предложение имеет два значения:

1) Диод стабилизации напряжения должен быть обратно включен в цепь.

2) Стабилитрон должен работать в определенном диапазоне (до стабильного текущего состояния) для стабилизации.

Ⅱ Принцип регулирования напряжения

Чтобы понять, как работает стабилитрон, достаточно взглянуть на его обратные характеристики . Основная характеристика всех кристаллических диодов — однонаправленная проводимость.То есть добавление прямого напряжения включается, а обратное напряжение блокируется. Кроме того, добавляемое обратное напряжение не превышает обратного выдерживаемого напряжения диода, иначе стабилитрон сгорит. Но это еще не окончательный результат. Тест показал, что до тех пор, пока значение обратного тока ограничено (например, резистор установлен последовательно между диодом и источником питания), он не сгорит, хотя и сломан. Более того, было обнаружено, что после обратного пробоя диода ток резко уменьшился, а напряжение упало незначительно.Напряжение резко падало при уменьшении силы тока до определенного значения. Именно по этому принципу используется стабилитрон. И наиболее важным моментом при использовании стабилитрона является расчет его текущего значения.

Стабилитрон отличается тем, что после пробоя напряжение на нем остается практически неизменным. Таким образом, когда регулятор напряжения подключен к цепи, если напряжение в каждой точке схемы колеблется из-за колебаний напряжения источника питания или по другим причинам, напряжение на нагрузке останется практически неизменным.

Ⅲ Прикладная схема стабилитрона

3.1 Характеристики стабилитрона

Обычно нормальный диод имеет прямую проводимость и обратную отсечку. Когда обратное напряжение, приложенное к диоду, превышает возможности диода, диод выходит из строя. Однако есть диод, прямая характеристика которого такая же, как у обычного диода, но обратная характеристика особенная: когда обратное напряжение прикладывается до определенной степени, хотя диод демонстрирует состояние пробоя, пропускается большой ток. , но он не поврежден, и это явление очень воспроизводимо.Напротив, пока диод находится в состоянии пробоя, хотя электричество, протекающее через трубку, сильно меняется, напряжение на диоде изменяется очень мало, чтобы стабилизировать напряжение. Это стабилитрон.

Типы стабилитронов: 2CW, 2DW и т. Д. Обозначение цепи показано ниже.

Характеристики стабилизации напряжения стабилитрона могут быть четко выражены кривой вольт-амперной характеристики, показанной на рисунке ниже.

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика

Стабилитрон работает, используя характеристику регулирования напряжения обратного пробоя. Поэтому стабилитрон включен в схему в обратном порядке. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется стабильным напряжением, и стабильное напряжение разных типов стабилитронов также отличается. Величина регулирования напряжения определенного типа стабилитрона фиксируется в определенном диапазоне.Например, значение регулирования 2CW11 составляет от 3,2 до 4,5 вольт, где один диод может иметь регулировку напряжения 3,5 В, а другой — 4,2 В.

В практических приложениях , если стабилитрон не выбран для соответствия требуемому требованию регулирования напряжения, можно выбрать стабилитрон с более низким напряжением регулирования. А затем один или несколько кремниевых диодов в качестве «подушек» могут быть подключены последовательно, чтобы повысить стабильность напряжения до требуемого значения. Это достигается за счет использования кремниевого диода с прямым падением напряжения 0.От 6 В до 0,7 В. Следовательно, диод должен быть подключен в прямом направлении цепи, что отличается от стабилитрона.

Стабилизация напряжения стабилитрона может быть выражена его динамическим сопротивлением r:

Рисунок 4. Простая схема регулирования

Очевидно, что для того же изменения тока ΔI, чем меньше изменение напряжения ΔU на стабилитроне, тем меньше динамическое сопротивление и тем лучше рабочие характеристики стабилитрона.

Рисунок 5. Цепь регулирования

3.2 Колебания напряжения сети и колебания нагрузки

Для любой схемы регулирования характеристики регулирования напряжения следует исследовать с двух сторон:

а. колебания напряжения сети

г. изменение нагрузки

Стабилитрон

Когда напряжение сети увеличивается, входное напряжение Ui схемы регулирования напряжения увеличивается, а выходное напряжение Uo также увеличивается пропорционально.Поскольку Uo = Uz, согласно вольтамперным характеристикам стабилитрона, увеличение Uz приведет к резкому увеличению Idz, как и Ir, Ur резко возрастет с Ir одновременно, и увеличение Ur определенно будет уменьшить выходное напряжение Uo. Следовательно, пока параметры выбраны правильно, приращение напряжения на R может быть приблизительно равно приращению Ui, так что Uo по существу не изменяется. Краткое описание выглядит следующим образом:

Когда напряжение сети падает, изменение каждого значения противоположно описанному выше процессу.

Видно, что при изменении напряжения сети схема регулирования напряжения компенсирует изменение Ui изменением напряжения на токоограничивающем резисторе R, то есть ΔUr ≈ ΔUi, так что Uo не изменяется.

Когда сопротивление нагрузки RL уменьшается, то есть ток нагрузки IL увеличивается, Ir увеличивается, Ur также увеличивается, Uo неизбежно уменьшается, а Uz уменьшается. Согласно вольтамперным характеристикам стабилитрона падение Uz вызывает резкое уменьшение Idz.В результате Ir резко снижается. Если параметры выбраны правильно, ΔIdz≈-ΔIL можно сделать так, чтобы Ir по существу не изменился, так что Uo по существу не изменится. Краткое описание выглядит следующим образом:

Очевидно, что пока ΔIz ≈ — ΔIL сделано в цепи, Ir можно сделать практически неизменным, тем самым гарантируя, что Uo практически не изменится.

Таким образом, в цепи стабилизации напряжения, состоящей из стабилитрона, функция стабилизации тока стабилитрона используется для компенсации изменения напряжения или тока токоограничивающего резистора R для достижения цели стабилизации напряжения.Токоограничивающий резистор R не только ограничивает ток в стабилитроне до нормального режима работы, но также взаимодействует с стабилитроном для достижения цели регулирования напряжения.

3.3 Основные параметры

После понимания принципа регулирования напряжения стабилитрона, вы должны понять его основные параметры:

Vz — ровное напряжение: это стабильное значение напряжения, генерируемое двумя концами стабилитрона при прохождении номинального тока.Это значение незначительно меняется в зависимости от рабочего тока и температуры. Из-за различий в производственном процессе значения стабилизации напряжения одного и того же типа стабилитронов не совсем одинаковы.

Iz — постоянный ток: это значение тока, проходящего через диод, когда стабилитрон генерирует стабильное напряжение. Ниже этого значения, хотя стабилитрон может регулировать напряжение, эффект регулирования напряжения будет хуже; выше этого значения, пока не превышаются номинальные потери мощности, это разрешено, и характеристики регулирования напряжения будут лучше, но потребляется больше мощности.

Rz — динамическое сопротивление: это отношение изменения напряжения на диоде к изменению тока, и это соотношение зависит от рабочего тока. Как правило, чем больше ток, тем меньше динамическое сопротивление. Например, когда рабочий ток регулятора 2CW7C составляет 5 мА, Rz составляет 18 Ом; при рабочем токе 10 мА Rz составляет 8 Ом; когда он равен 20 мА, Rz равен 2 Ом, рабочий ток превышает 20 мА.

Pz — номинальная мощность: определяется допустимым превышением температуры микросхемы, и ее значение является произведением стабильного напряжения Vz и максимально допустимого тока Izm.

Ctv — температурный коэффициент напряжения: это параметр, показывающий, что стабильное значение напряжения зависит от температуры.

IR — обратный ток утечки. Он относится к току утечки, создаваемому стабилитроном при заданном обратном напряжении.

S ilicon Zener D iode

На следующем рисунке представлена ​​простая схема регулирования напряжения, состоящая из кремниевого стабилитрона: кремниевый стабилизатор напряжения DW и нагрузка Rfz включены параллельно, а R1 — токоограничивающий резистор.

Рисунок 6. Схема кремниевого стабилизирующего диода (a)

Схема кремниевого стабилитрона регулируется обратной характеристикой пробоя стабилитрона. Из-за крутой обратной характеристической кривой большое изменение тока вызовет только небольшое изменение напряжения.

Рисунок 7. Схема кремниевого стабилизирующего диода (b)

Как регулируется эта схема? Если напряжение сети повышается, выходное напряжение Usr схемы выпрямителя также повышается, вызывая повышение напряжения нагрузки Usc .Поскольку стабилитрон DW подключен параллельно нагрузке Rfz , до тех пор, пока корень имеет небольшое увеличение, ток, протекающий через стабилитрон, резко увеличивается, так что I1 также увеличивается, и падение напряжения на токоограничивающий резистор R1 увеличивается, тем самым компенсируя повышение Usr. сохраняет напряжение нагрузки Usc практически неизменным. И наоборот, если напряжение сети падает, вызывая падение Usr , так же как и Usc , ток в стабилитроне резко уменьшается, вызывая уменьшение I1 и падение напряжения на R1 , тем самым смещая падение usr и поддержание нагрузки.Напряжение Usc практически не изменилось.

Если Usr является постоянным и ток нагрузки увеличивается, падение напряжения на R1 увеличивается, вызывая падение напряжения нагрузки Usc . Как только Usc немного падает, ток в стабилитроне быстро уменьшается, уменьшая падение напряжения на R1 и сохраняя падение напряжения на R1 практически постоянным, что стабилизирует напряжение нагрузки Usc .

Таким образом, стабилитрон действует как автоматическая регулировка тока. Чем меньше динамическое сопротивление стабилитрона, тем больше токоограничивающее сопротивление и лучше стабильность выходного напряжения.

Пример анализа

При использовании стабилитронов они не могут ограничить потенциал до идеального значения на основе ваших фактических требований. Например, такая цифра:

Рисунок 8.Схема регулирования

После того, как внешний интерфейс получает сигнал, он усиливается операционным усилителем и затем вводится в АЦП микроконтроллера, и видна только выходная цепь:

Рисунок 9. Схема цепи регулирования (часть)

Конденсатор C17 является конденсатором выборки и хранения, а резистор R31 и стабилитрон D9 образуют цепь регулирования напряжения. Если выходное напряжение больше 3.3 В, стабилитрон будет ограничивать его до 3,3 В. Однако это не так, у такого диода есть своя характеристическая кривая. Обратитесь к регулятору BZT52C3V3 на Kynix Semiconductor для замены регулятора 1N4728 в цепи на BZT52C3V3 :

Рис. 10. Характеристики пробоя стабилитрона (а)

Рисунок 11. Характеристики пробоя стабилитрона (б)

Глядя на кривую C3V3 , можно увидеть, что когда ток стабилитрона равен 0, его напряжение составляет примерно 1.8 В, что означает, что когда сопротивление токоограничивающего резистора R31 в цепи бесконечно, ток, протекающий через стабилитрон, почти равен нулю, а выходное напряжение составляет около 1,8 В. Когда сопротивление резистора R31 невелико, ток, протекающий через диод, очень велик независимо от внутреннего сопротивления переднего выхода, а выходное напряжение может достигать от 3,5 В до 4,0 В. Очевидно, что в обоих случаях стабилитрон диоды не очень хорошо выполняют свои обязанности.

Когда входное напряжение меньше 3.3 В, выход и вход входного каскада стабилитрона остаются прежними. Когда входное напряжение внешнего интерфейса больше 3,3 В, стабилитрон выдает 3,3 В. Но на самом деле такого стабилитрона нет.

Предположим, что входное напряжение на приведенной выше принципиальной схеме равно Uo, напряжение стабилитрона равно Ui, сопротивление R31 равно R, а ток через диод равен i, можно получить формулу:

i = (Uo — Ui) /

рэнд

Измените формулу на:

i = (-1 / R) * Ui + Uo / R

Это уравнение нанесено на характеристическую кривую стабилитрона:

Рисунок 12.Характеристики пробоя стабилитрона (в)

Пересечение этого уравнения равно Uo / R , что соответствует току при коротком замыкании регулятора напряжения. Пересечение уравнения и оси X составляет Ui = Uo . Фокус этой линии и кривой C3V3 является рабочей точкой стабилитрона. Но это уравнение не было определено, потому что значения Uo и R не фиксированы. Мы знаем, что с входным напряжением внешнего интерфейса работает операционный усилитель. Рабочее напряжение операционного усилителя составляет 5 В, поэтому выходное напряжение операционного усилителя не превышает 5 В, поэтому мы предполагаем, что диапазон Uo находится в пределах от 0 до 5 В.

Потому что опорное напряжение AD части системы микроконтроллера составляет 3,3 В. Если вы надеетесь, что выходное напряжение стабилитрона не превышает 3,3 В, необходимо сохранить пересечение приведенного выше уравнения и характеристической кривой не более 3,3 В, предполагая, что напряжение в точке пересечения составляет 3,3 В. В настоящее время ток через стабилитрон составляет 5 мА, когда наше уравнение просто проходит через эту точку:

Рисунок 13. Характеристики пробоя стабилитрона (г)

Выходное напряжение стабилитрона равно 3.3V, и мы называем эту точку точкой отсчета. Если пересечение уравнения и кривой находится ниже контрольной точки, выходное напряжение стабилитрона меньше 3,3 В. Если пересечение уравнения и кривой находится выше контрольной точки, выходное напряжение стабилитрона больше 3,3 В, что повлияет на микроконтроллер и даже сгорит.

Рисунок 14. Характеристики пробоя стабилитрона (д)

Выходное напряжение выше 3.3В ненормально. В нормальном состоянии напряжение, передаваемое операционным усилителем, меньше или равно 3,3 В, и нам нужно, чтобы выходное напряжение Uo операционного усилителя и выходное напряжение стабилитрона были меньше 3,3 В, то есть Uo = Ui. Когда входное напряжение операционного усилителя меньше или равно 3,3 В, пересечение уравнения и оси X составляет Ui≤3,3 В. В это время пересечение уравнения и кривой всегда меньше контрольной точки, потому что уравнение не может быть вертикальным.Ui на перекрестке меньше 3,3 В, что означает, что выход нашего операционного усилителя составляет 3,3 В, а выходное напряжение стабилитрона меньше 3,3 В. Это вызывает искажение сигнала, то есть входной и выходной сигнал несовместимы. Это абсолютно недопустимо в системе, потому что различное напряжение указывает на изменение соответствующего измеренного значения.

Итак, что нам делать, если возникла эта проблема? Мы только что обнаружили, что пересечение характеристической кривой и оси X составляет не Ui = 0 , а Ui = 1.8В . В это время, когда напряжение, передаваемое нашим операционным усилителем, меньше 1,8 В, значения Uo и Ui одинаковы. Другими словами, искажения сигнала не происходит:

Рисунок 15. Характеристики пробоя стабилитрона (е)

Видно, что пересечение уравнения и кривой всегда находится на оси X, что составляет Ui = Uo . Но диапазон уменьшен, с 0 до 3,3В до 1,8В, снижена точность обнаружения АД, для устойчивости системы нужен стабилитрон.Конечно, если вы выберете стабилитрон с лучшей характеристической кривой (более дорогой). В это время пересечение характеристической кривой стабилитрона и оси X может составлять 2,0 В или более.

Мы можем наблюдать характеристическую кривую, чтобы увидеть характеристическую кривую C3V9 стабилитрона 3,9 В. Ui на пересечении с осью X составляет около 3 В. Когда ток стабилитрона составляет около 1 мА, Ui составляет около 3,3 В, для регулирования напряжения можно использовать стабилизатор напряжения 3,9 В.Уравнение выглядит следующим образом:

Рисунок 16. Характеристики пробоя стабилитрона (г)

При нормальных условиях , выходное напряжение операционного усилителя находится в диапазоне 3,3 В, а пересечение уравнения и кривой находится на оси X, как показано на красной линии ниже. Когда значение превышает 3,3 В, чтобы гарантировать, что пересечение уравнения и кривой находится ниже контрольной точки, нам нужно уменьшить наклон уравнения так, чтобы пересечение уравнения и кривой удовлетворяло Ui ≤ 3.3V, а наклон уравнения равен (-1 / R). Чтобы уменьшить наклон, нужно увеличить значение R, то есть мы можем использовать трубку регулятора 3,9 В для увеличения сопротивления R31. Примерно мы можем видеть, что когда Ui = 3,3 В, i составляет около 1 мА, мы вносим эту точку в уравнение:

1 мА = -3,3 / R + Uo / R

Когда Uo принимает максимальное значение 5 В, рассчитывается R = 1700 Ом. То есть, когда R больше или равно 1700 Ом, а Uo меньше или равно 5 В, пересечение уравнения и кривой всегда меньше контрольной точки.В то же время наш неискаженный диапазон напряжения составляет от 0 до 3 В, что намного больше, чем от 0 до 1,8 В при использовании стабилитрона на 3,3 В.

Внимание к применению

1. Обратите внимание на разницу между обычным диодом и стабилитроном. Многие обычные диоды, особенно стеклянные трубки, имеют схожий цвет или форму по сравнению с диодами Зенера. Если вы не будете их различать внимательно, вы воспользуетесь ими неправильно.Разница в следующем: судя по форме, многие стабилитроны имеют цилиндрическую форму, короткие и толстые, а общий диод — тонкий; Глядя на знак, внешняя поверхность стабилитрона отмечена значением регулятора напряжения, например, 5V6, что указывает на то, что значение стабилизации напряжения составляет 5,6 В. Используйте мультиметр для измерения напряжения в соответствии с однонаправленной проводимостью, используя блок X1K для определения положительной и отрицательной полярности проверяемого диода, затем с помощью блока X10K, черную ручку для подключения к отрицательному полюсу диода и красная ручка подключена к положительному полюсу диода.Если значение обратного сопротивления велико, можно использовать обычный диод. Если значение обратного сопротивления становится небольшим, это стабилитрон.

2. Обратите внимание на разницу между прямой и обратной проводимостью стабилитронов. Когда стабилитрон используется для прямой проводимости, он в основном такой же, как и нормальный диод, и напряжение на обоих концах после прямой проводимости в основном постоянное, около 0,7 В. Теоретически стабилитрон также можно использовать в прямом направлении, но его значение регулирования напряжения будет ниже 1 В, а характеристики регулирования напряжения будут плохими.Как правило, характеристика прямой проводимости стабилитрона используется не только для стабилизации, но и с характеристиками обратного пробоя для регулирования. Значение напряжения обратного пробоя является регулируемым. Иногда два стабилитрона используются последовательно, один использует свою прямую характеристику, а другой использует обратную характеристику для регулирования и температурной компенсации, чтобы улучшить регулирование напряжения.

3. Обратите внимание на эффект токоограничивающего резистора и влияние сопротивления.В схеме стабилизатора напряжения на стабилитроне резистор R обычно включен последовательно. Этот резистор действует как ограничитель тока в цепи и улучшает эффект регулирования напряжения. Если резистор не применяется, когда R = 0, стабилитрон легко выгорит, что приведет к очень плохому эффекту регулирования напряжения. Чем больше сопротивление токоограничивающего резистора, тем лучше характеристики регулирования напряжения схемы, но разница входного и выходного напряжения будет слишком большой, а потребляемая мощность будет больше.

4. Обратите внимание на разницу напряжения между входом и выходом. При нормальном использовании выходное напряжение схемы стабилизатора напряжения на стабилитроне равно значению стабилизации напряжения на обоих концах после обратного пробоя. Если значение напряжения, входящее в схему регулятора напряжения, меньше, чем напряжение регулятора напряжения, схема потеряет регулирование напряжения, только когда оно больше, чем номинальное значение, будет действовать эффект регулирования напряжения, и чем больше разница напряжений , тем больше должно быть сопротивление токоограничивающего резистора, иначе трубка регулятора напряжения будет повреждена.

5. Стабилитроны можно использовать в серии . После того, как несколько серий регуляторов напряжения соединены последовательно, можно получить множество различных значений регулирования напряжения, так что последовательное соединение более распространено. В следующем примере показано, как получить значение стабилизации напряжения после того, как они используются последовательно. Если значение стабилизации напряжения стабилитрона составляет 5,6 В, другое значение стабилизации напряжения составляет 3,6 В, а напряжение стабилитрона напряжения равно 0.7 В, после последовательного подключения есть четыре различных значения регулирования напряжения.

6. Стабилитроны обычно не используются параллельно . После того, как несколько стабилитронов подключены параллельно, значение регулирования будет определяться самым низким из них (включая значение напряжения после прямой проводимости). В качестве примера возьмем два регулятора напряжения, чтобы проиллюстрировать метод расчета значения регулирования напряжения. После двух параллельных подключений есть четыре случая, а значение регулирования напряжения равно только двум.Стабилитроны не используются параллельно, если не указано иное.

Часто задаваемые вопросы о принципе работы стабилитрона

1. Для чего нужен стабилитрон? Стабилитроны
используются для регулирования напряжения, в качестве опорных элементов, ограничителей перенапряжения, а также в коммутационных устройствах и схемах ограничителей. Напряжение нагрузки равно напряжению пробоя VZ диода. Последовательный резистор ограничивает ток через диод и снижает избыточное напряжение, когда диод проводит.

2. Каковы характеристики стабилитрона? Стабилитрон
более легирован, чем обычные диоды. У них очень тонкая область истощения. Когда мы прикладываем напряжение, превышающее напряжение пробоя стабилитрона (может варьироваться от 1,2 до 200 вольт), область обеднения исчезает, и через переход начинает течь большой ток.

3. Почему стабилитрон имеет обратное смещение?
При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон становится проводящим, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода.С этого момента низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении.

4. Что такое эффект Зенера и эффект лавины?
Зинер и лавинный эффект могут возникать одновременно или независимо друг от друга. Как правило, пробои диодного перехода при напряжении ниже 5 вольт вызваны эффектом стабилитрона, тогда как пробои при напряжении более 5 вольт вызваны лавинным эффектом.

5. Что такое лавинный пробой и пробой Зенера?
Пробой, который происходит из-за столкновения электронов внутри PN-перехода, называется лавинным пробоем, тогда как пробой Зенера происходит, когда сильное электрическое поле прикладывается к PN-переходу…. Потому что механизм пробоя стабилитрона происходит в сильно легированной области.

6. Что произойдет, если стабилитрон смещен в прямом направлении?
Стабилитрон похож на сигнальный диод общего назначения. При смещении в прямом направлении он ведет себя так же, как обычный сигнальный диод, но когда на него подается обратное напряжение, напряжение остается постоянным для широкого диапазона токов. … Обратное напряжение может увеличиваться до тех пор, пока не достигнет напряжения пробоя диода.

7.Как рассчитать ток стабилитрона?
3SMAJ5927B — стабилитрон на 12 В в корпусе 3 Вт. Это ток колена, ток пробоя или минимальный ток 0,25 мА. Максимальный ток рассчитывается делением номинальной мощности на напряжение стабилитрона: I = P / V = ​​3 Вт / 12 В = 0,25 А.

8. Обратим ли пробой стабилитрона?
Лавинный пробой необратим, а пробой Зенера обратим. Лавинный пробой происходит из-за столкновения ускоренных носителей заряда с соседними атомами и из-за размножения носителей.

9. Можно ли использовать стабилитрон в качестве выпрямителя?
Стабилитрон состоит из p-n-перехода, но сильно легирован по сравнению с обычным диодом. В результате он может выйти из строя, не повредившись. И только благодаря этому свойству стабилитрон используется как регулятор напряжения в электронных схемах. Фактически, стабилитроны никогда не используются для выпрямления.

10. Что такое идеальный стабилитрон?
В идеальном диоде ток вообще не проходит, когда напряжение меньше нуля: диод полностью предотвращает обратный ток.Для небольшого положительного напряжения («прямое смещение» или иногда «прямое напряжение») может протекать крошечный ток, а очень большой ток будет превышать заданный порог.

Вам также может понравиться

Лавинный фотодиод

Физические карты и символы диодов

Учебное пособие по основам работы со светодиодами

Функция и принцип действия диода

Принцип работы стабилитрона и определение положительного и отрицательного полюсов

Альтернативные модели

Деталь Сравнить Производителей Категория Описание
Производитель.Номер детали: CAT16-000J4LF Сравнить: Текущая часть Изготовители: Bourns J.W. Миллер Категория: Резисторные массивы Описание: Толстопленочная матрица Res 0 Ом, литая, 8-контактная, 1206 (4 X 0603), вогнутая, для поверхностного монтажа, T / R
Производитель.Номер детали: CAT16-000J4 Сравнить: CAT16-000J4LF VS CAT16-000J4 Изготовители: Bourns J.W. Миллер Категория: Резисторные массивы Описание: Толстопленочная матрица Res 0 Ом, литая, 8-контактная, 1206 (4 X 0603), вогнутая, для поверхностного монтажа, T / R
Производитель.Часть #: EXBV8VR000V Сравнить: CAT16-000J4LF против EXBV8VR000V Производитель: Panasonic Категория: Резисторные массивы Описание: Матричный / сетевой резистор, перемычка, металлическая глазурь / толстая пленка, 0 Ом, поверхностный монтаж, 0612, ЧИП
Производитель.Номер детали: TC164-JR-070RL Сравнить: CAT16-000J4LF против TC164-JR-070RL Производитель: Phycomp Категория: Резисторные массивы Описание: Фиксированный сетевой резистор YAGEO (PHYCOMP) TC164-JR-070RL, 0 Ом, 50 В, 4 элемента, изолированные, 1206 [3216 метрическая система], 62.5 мВт
Описание стабилитрона

— StudiousGuy

Стабилитрон — это особый тип диодов с P-N переходом.Это кремниевый полупроводниковый прибор, в котором как P-, так и N-переходы сильно легированы, из-за чего он образует очень тонкий обедненный слой, что приводит к сильному электрическому полю через переход. Он может работать как в прямом, так и в обратном смещении, то есть он может позволить току течь как в прямом, так и в обратном направлении, если через переход проходит достаточное напряжение, но в основном он предназначен для работы в обратном направлении. Стабилитрон решает огромное количество проблем, которые могут возникнуть при проектировании схем.Следовательно, это широко используемый компонент в электрических цепях. Он сконструирован таким образом, что может без сбоев выдерживать пробой, вызванный обратным напряжением пробоя, поэтому он также известен как пробойный диод.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Кларенс Мелвин Зенер (1905–1993)

Стабилитрон

назван в честь американского физика Кларенса Мелвина Зенера, который разработал электрические свойства стабилитрона.Он был профессором физики в Университете Карнеги-Меллона, и его основная область интересов была «физика твердого тела». Он получил диплом и докторскую степень в Стэнфордском университете, Калифорния. В 1934 году он опубликовал статью, в которой объяснил поломку электрических изоляторов, а в 1950 году он разработал стабилитрон и начал его применение в компьютерных схемах.

Конструкция стабилитрона

Стабилитроны

изготавливаются различными методами. Наиболее широко используемые методы производства включают диффузную структуру сплава, пассивированную структуру и диффузную структуру.В диффузной структуре как P-, так и N-подложки диффундируют вместе, и металлический слой осаждается с обеих сторон, которые соединяют анодные и катодные выводы. В диффузионной структуре сплава все переходы покрыты слоем оксида кремния (SiO2), но в пассивированной структуре только края переходов покрыты слоем оксида кремния. Напряжение пробоя стабилитрона диода фиксировано на момент его изготовления и обычно составляет от 2,4 до 200 В. Функционирование стабилитрона зависит от уровня его легирования.Слаболегированные диоды показывают лавинный пробой, в то время как сильно легированные диоды показывают пробой Зенера. Диффузионные стабилитроны из сплава лучше работают при низких напряжениях стабилитрона, в то время как диффузные и пассивированные структуры лучше работают при высоких напряжениях стабилитрона.

Условное обозначение стабилитрона

Обозначение схемы стабилитрона почти аналогично символам нормальной схемы диода с небольшой разницей в том, что вертикальная линия символа стабилитрона слегка изогнута внутрь и наружу от верхнего и нижнего конца соответственно.

Символ стабилитрона

Принципиальная схема стабилитрона

Стабилитрон

может быть подключен как в прямом, так и в обратном смещении, но он работает как обычный диод в состоянии прямого смещения и в основном предназначен для работы в состоянии обратного смещения. В состоянии обратного смещения, P-тип, то есть положительная сторона диода, подключается к отрицательной клемме батареи, в то время как N-тип, то есть отрицательная сторона диода, подключается к положительной клемме. батареи.

Общие сведения о стабилитроне

Стабилитрон — это сильно легированный диод с P-N переходом; из-за сильного легирования область обеднения между P-N-переходом становится узкой, а напряженность электрического поля увеличивается. Следовательно, увеличивается и проводимость стабилитрона. Нет никакого протекания тока через диод, если к стабилитрону не приложено смещение, так как не будет потока электронов из валентной зоны области P-типа в зону проводимости области N-типа.Если к стабилитрону приложено обратное смещение и подаваемое напряжение превышает напряжение стабилитрона, электрическое поле на переходе увеличивается, и валентные электроны набирают достаточно энергии и начинают перемещаться из валентной зоны области P-типа в область зона проводимости области N-типа, и барьер между областями P и N уменьшается. При напряжении стабилитрона область обеднения полностью исчезает, и стабилитрон начинает проводить.

Работа стабилитрона

В условиях прямого смещения стабилитрон работает как обычный диод, но когда он работает в режиме обратного смещения, обедненный слой между переходом сужается, и он продолжает сужаться, если мы увеличиваем напряжение с обратным смещением. .Первоначально ток, протекающий по цепи, обусловлен неосновными носителями заряда, но после определенного значения обратного напряжения происходит пробой. Стабилитрон имеет два типа пробоя: лавинный пробой и пробой стабилитрона, которые обсуждаются ниже.

Лавина

Лавинный пробой обычно возникает, если мы прикладываем очень высокое напряжение обратного смещения. В состоянии обратного смещения ток течет через цепь из-за неосновных носителей заряда. Если мы подаем высокое обратное напряжение, то эти неосновные носители заряда ускоряются и приобретают высокую скорость, следовательно, их движение увеличивается.Из-за своего быстрого движения они сталкиваются с окружающими их атомами и генерируют больше свободных электронов, и эти свободные электроны также вызывают столкновения, которые приводят к генерации еще большего количества свободных электронов, следовательно, через цепь протекает большой ток из-за увеличения количество носителей заряда. Это явление известно как лавинный прорыв. Обычные диоды обычно разрушаются из-за этого пробоя из-за выделения тепла из-за большого тока и высокого падения напряжения, но стабилитрон сконструирован таким образом, что он не повреждается из-за лавинного пробоя и может выдерживают большой ток.Лавинный пробой обычно наблюдается в тех стабилитронах, у которых напряжение на стабилитронах превышает 5 вольт.

Механизм лавинного разрушения

Стабилитрон

Явление пробоя стабилитрона обычно наблюдается в сильно легированных диодах. Из-за высокой концентрации легирования обедненный слой имеет очень узкую ширину. Если мы увеличим обратный потенциал, это приведет к генерации сильного электрического поля в области обеднения. Из-за этого высокого электрического поля электроны (электроны области истощения) получают высокую энергию и отделяются от своих родительских атомов, и из-за этого действия генерируется большое количество свободных электронов.Движение этих свободных электронов вызывает прохождение электрического тока через диод. Таким образом, наблюдается немедленное увеличение электрического тока при увеличении обратного напряжения на небольшую величину. Ток увеличивается до максимального значения, а затем стабилизируется и остается постоянным при различных значениях приложенного напряжения. Когда электрический ток превышает емкость диода, происходит пробой, и этот пробой известен как пробой Зенера, а напряжение, при котором он возникает, известно как напряжение Зенера.Пробой Зенера можно управлять, потому что количество генерируемых валентных электронов можно контролировать, управляя электрическим полем в области обеднения. Обычно используемые стабилитроны показывают пробой стабилитрона ниже 5 вольт, и они имеют отрицательный температурный коэффициент, то есть, если температура перехода увеличивается, напряжение пробоя стабилитрона уменьшается.

Различия в лавинном пробое и пробое стабилитрона

  • Лавинный пробой происходит из-за столкновений электронов в обедненной области, а пробой Зенера происходит из-за сильного электрического поля.
  • Лавинный пробой происходит в слабо легированных диодах с P-N переходом, но стабилитрон возникает в сильно легированных диодах с P-N переходом.
  • Диод не может занять свое исходное положение после лавинного пробоя, но может вернуться в исходное положение после пробоя стабилитрона.
  • В случае пробоя стабилитрона электрическое поле в обедненной области больше, чем при лавинном пробое.
  • В случае лавинного пробоя образуются как пары дырок, так и электроны, но пробой Зенера вызывается только потоком электронов из-за сильного электрического поля.
  • Лавинный пробой происходит из-за высокого обратного напряжения, тогда как пробой Зенера происходит из-за низкого обратного напряжения.
  • Лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, т. Е. Он увеличивается с повышением температуры, а пробой Зенера имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. уменьшается с повышением температуры.
  • Пробой стабилитрона показывает резкую кривую в их характеристиках V-I по сравнению с лавинным пробоем.

Характеристики V-I стабилитрона

Вольт-амперная характеристика или вольт-амперная характеристика — это график, который представляет изменение тока по отношению к изменению напряжения, приложенного к переходу. Вольт-амперные характеристики стабилитрона делятся на две категории: прямые и обратные характеристики. Обсудим их подробнее.

Характеристики вперед

Характеристики стабилитрона с прямым смещением представлены в первом квадранте графика, показанного выше.Из графика ясно видно, что характеристики смещения в прямом направлении стабилитрона такие же, как у нормального диода с фазовым переходом, то есть, если мы увеличиваем напряжение вокруг вывода, то ток, протекающий через цепь, также увеличивается. Однако величина тока, протекающего через стабилитрон, выше по сравнению с обычным P-N диодом из-за более высокой концентрации легирования в стабилитроне.

Обратные характеристики

Когда стабилитрон работает в состоянии обратного смещения, тогда сначала через цепь протекает лишь небольшая величина тока утечки из-за неосновных носителей заряда, которые генерируются термически, но когда приложенное обратное напряжение увеличивается до определенного значения. значение обратного напряжения, то происходит пробой, и наблюдается резкое увеличение обратного тока.Значение обратного напряжения, в котором произошел пробой, известно как напряжение Зенера (Vz), и этот эффект пробоя известен как эффект Зенера. Используя внешнее сопротивление, можно ограничить ток, проходящий через стабилитрон. Напряжение (В) через диод можно рассчитать математически, используя следующее выражение:

В = Vz + ИзРз

Где Vz — напряжение пробоя по Зенеру, Iz — это ток, протекающий через стабилитрон, а Rz — сопротивление стабилитрона.

Технические характеристики стабилитрона

При производстве стабилитрона тщательно учитываются различные типы спецификаций. Каждая спецификация влияет на общее функционирование стабилитрона. Соблюдая эти спецификации, мы можем понять рабочие характеристики любого конкретного стабилитрона. Вот некоторые характеристики стабилитрона.

1. Напряжение стабилитрона (Vz)

Напряжение стабилитрона — это напряжение на стабилитроне, при котором происходит пробой, поэтому оно также известно как напряжение обратного пробоя.При изготовлении стабилитронов их напряжение пробоя обычно поддерживается в диапазоне от 2,4 В до 200 В. Однако для устройств поверхностного монтажа максимальное напряжение стабилитрона составляет около 47 вольт.

2. Максимальный ток (Iz-max)

Iz-max — это максимальный ток, который может протекать через стабилитрон при обратном напряжении пробоя. Он колеблется от 200 мкА до 200 А. Из-макс можно рассчитать по формуле

Iz = Pz / Vz

Где Pz — максимальная мощность, которую может выдержать диод, а Vz — обратное напряжение пробоя.

3. Минимальный ток (Из-мин)

Iz-min — это минимальная сила тока, необходимая для пробоя стабилитрона. Он колеблется от 5 мА до 10 мА.

4. Номинальная мощность (Pz)

Номинальная мощность — это максимальная мощность, которую стабилитрон может безопасно рассеивать. Обычно используемые значения мощности стабилитрона включают 400 мВт, 500 мВт, 1 мВт, 3 мВт и 5 мВт. Стабилитроны с высокой номинальной мощностью обычно дороги и требуют дополнительных устройств для отвода избыточного тепла.Максимальную рассеиваемую мощность (Pzm) стабилитроном можно рассчитать по приведенной формуле:

Pzm = Iz * Vz

Где Iz — это максимальный ток, который может протекать через стабилитрон, а Vz — это напряжение пробоя стабилитрона.

5. Сопротивление стабилитрона

Сопротивление стабилитрона или импеданс стабилитрона — это полное сопротивление стабилитрона протеканию электрического тока. Сопротивление стабилитрона также очевидно из графика обратной характеристики VI, поскольку оно не полностью вертикально, следовательно, есть небольшое изменение тока, протекающего при небольшом изменении напряжения на стабилитроне, и это изменение напряжения по отношению к диоду Зенера. ток — это сопротивление стабилитрона.В идеале он должен быть равен нулю, но каждый стабилитрон имеет некоторое сопротивление стабилитрона.

Импеданс стабилитрона стабилитрона рассчитывается по формуле

R = Vi-Vz / Из

Где Vi — входное напряжение, Iz — ток, проходящий через стабилитрон, а Vz — напряжение пробоя стабилитрона.

6. Допуск стабилитрона

Допуск стабилитрона определяется как диапазон напряжений, близкий к напряжению пробоя, при котором стабилитрон проводит ток в обратном направлении.При изготовлении стабилитрона могут возникать небольшие различия в концентрациях легирования для одного и того же типа стабилитрона, что означает, что их напряжения пробоя также незначительно различаются, следовательно, один и тот же тип стабилитрона проводит обратный ток при разных значениях напряжения обратного пробоя, и этот диапазон напряжения пробоя стабилитронов называется их допуском. Обычно допуск напряжения стабилитрона составляет ± 5%.

7. Температурная стабильность

Напряжение обратного пробоя стабилитронов изменяется в зависимости от различных температурных условий, и оно показывает большую разницу в своем значении для разных степеней температуры в диапазоне от 0 ° C до 50 ° C.Таким образом, температурная стабильность — важный критерий, на который необходимо обращать внимание при использовании стабилитронов в различных электрических цепях. Как мы читали выше, лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении выше 5 вольт, в то время как пробой на стабилитроне имеет отрицательный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении ниже 5 вольт. Имея это в виду, стабилитроны с напряжением пробоя 5 В обычно производятся, так как они обеспечивают лучшую температурную стабильность.

8.Температура перехода

Когда обратный электрический ток проходит через переход стабилитрона, там выделяется тепло, поэтому область перехода сравнительно горячее, чем внешний корпус стабилитрона, потому что тепло оттуда рассеивается. При изготовлении стабилитрона следует тщательно учитывать надлежащие характеристики внутренней и внешней температуры диода. Обычно температура перехода стабилитрона поддерживается в пределах от 175 ° C до 200 ° C.

9.Пакет

Стабилитрон

может быть упакован по-разному. Однако широко используемые методы упаковки включают традиционные устройства с выводами и упаковку для поверхностного монтажа (в технологии поверхностного монтажа (SMT) различные электрические компоненты устройства устанавливаются непосредственно на поверхности печатных плат (PCB)). Упаковка выбирается в соответствии с требованиями к уровню рассеивания тепла в устройстве.

Применение стабилитрона

Регулятор напряжения

Одним из наиболее важных применений стабилитрона является то, что он используется в качестве регулятора напряжения.Функция регулятора напряжения заключается в поддержании постоянного выходного напряжения для широкого диапазона входных напряжений и токов. Для использования стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения шунтирующее сопротивление (Rs) последовательно подключается к входному напряжению и стабилитрону. Далее сопротивление нагрузки подключается параллельно стабилитрону в режиме обратного смещения. Шунтирующее сопротивление Rs отсекает избыточное количество тока и позволяет только ограниченному току проходить через стабилитрон и, следовательно, контролирует колебания напряжения и поддерживает постоянное выходное напряжение на сопротивлении нагрузки {R} _ {L}.

Защита от перенапряжения

Иногда ток в электрических устройствах превышает нормальное значение, что может привести к повреждению устройства, но это повреждение можно свести к минимуму, используя стабилитрон в электрической цепи, поскольку он защищает цепь, регулируя входное напряжение, и позволяет поддерживать постоянное напряжение на выходной терминал. Стабилитроны, наряду с кремниевым управляющим выпрямителем (SCR), используются в различных схемах, поскольку они контролируют высокую мощность и высокое напряжение в электронных схемах.

Электрические переключатели

Стабилитрон

может производить резкие изменения от минимального тока до максимального, поэтому его можно использовать в качестве переключателя.

Защита мультиметра

Еще одним важным применением стабилитрона является то, что он используется для защиты мультиметра. Стабилитрон подключен параллельно мультиметру, он регулирует напряжения и защищает мультиметр от повреждения из-за чрезмерного протекания тока в электрической цепи.Стабилитрон легко выдерживает высокие пробивные напряжения, поскольку в них высокая концентрация легирования.

Формирователь волны или ограничитель формы волны

Стабилитрон

также используется в качестве формирователя волны, поскольку он может изменять форму волны переменного тока и может преобразовывать синусоидальную волну в прямоугольную. Для этого два стабилитрона, обращенных друг к другу, соединены последовательно с сопротивлением R. Стабилитрон обеспечивает высокое сопротивление, если входное напряжение на клеммах меньше напряжения пробоя стабилитрона во время положительного и отрицательного полупериода входной синусоидальной волны, и напряжение на стабилитроне (Vz) появится на выходе (Vo).Стабилитрон предлагает низкое сопротивление, если входное напряжение больше, чем напряжение пробоя стабилитрона, что позволяет большому току проходить через стабилитрон, и мы видим большое падение напряжения на сопротивлении R, и стабилитрон ограничивает избыточное напряжение. , следовательно, входной синусоидальный сигнал обрезается. Таким образом, мы можем получить прямоугольный сигнал на выходе. Таким образом, стабилитрон используется как ограничитель волн, и эти схемы в основном используются для устранения помех в телевизионных и FM-передатчиках.

Переключатель напряжения

Стабилитрон

может действовать как переключатель напряжения. Если мы используем стабилитрон и сопротивление R в цепи, входное напряжение может быть сдвинуто до напряжения пробоя стабилитрона.

Преимущества стабилитрона

  • Стабилитрон экономичен.
  • Поддерживает и регулирует входное напряжение.
  • Он имеет простую схему и очень совместим.
  • Широко применяется в электрических цепях для защиты устройств от перенапряжений.
  • Обеспечивает постоянное напряжение на выходной клемме.
  • Имеет возможность контролировать превышение протекания тока в цепи.
  • Используется как ограничитель формы сигнала.

Стабилитрон Недостатки

  • Чтобы нейтрализовать избыточное входное напряжение, стабилитрон применяет еще большее обратное напряжение, которое потребляет много электроэнергии в этом процессе.
  • Стабилитрон не подходит, если ток нагрузки очень высок, поскольку их эффективность снижается при высоких токах нагрузки.
  • Из-за сопротивления стабилитрона выходное напряжение немного изменяется.
  • Показывает высокий внутренний импеданс в цепи.
  • Транзисторы более предпочтительны, чем стабилитроны для регулирования напряжения, поскольку они имеют лучший коэффициент регулирования.
  • Поскольку напряжение стабилитрона равно выходному напряжению (Vo = Vz), мы не можем регулировать выходное напряжение.

Shahram Marivani — ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Цель:

Целью этого эксперимента является изучение рабочих характеристик и характеристик двухполупериодных выпрямителей и источников питания постоянного тока, использующих стабилитрон в качестве устройства стабилизации напряжения.Будут изучены и измерены характеристики двухполупериодного выпрямителя, а также стабилитрона.

Введение:

Одно из важных применений диодов с P-N переходом — преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Можно использовать полуволновые выпрямители, но они крайне неэффективны при преобразовании мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Кроме того, они имеют высокое содержание гармоник, которые трудно отфильтровать и сгладить пульсации выпрямленного переменного тока.С другой стороны, двухполупериодный выпрямитель повышает эффективность преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Это также уменьшит содержание гармоник в выпрямленной форме волны и снизит требования к сглаживающему фильтру, необходимому для уменьшения пульсаций в выпрямленной форме волны. Типичная форма сигнала двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке 1.


Рисунок 1 — Формы выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя; темная линия — это отфильтрованный вывод, а более тонкая линия — нефильтрованный вывод.Стабилитроны

— это специальные диоды, предназначенные для поддержания фиксированного напряжения на нагрузке. Они предназначены для «пробоя» надежным и неразрушающим образом, когда они смещены в обратном направлении напряжением, превышающим напряжение пробоя. Типичная характеристика постоянного тока стабилитрона показана на рисунке 2. Перегиб в области обратного смещения на рисунке 2 — это «напряжение пробоя» стабилитрона. Однако это напряжение также известно как напряжение Зенера.


Рисунок 2 — Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона. Стабилитроны

имеют номинальное напряжение пробоя и максимальную мощность.Минимальное доступное напряжение стабилитрона составляет 2,7 В, тогда как номинальная мощность составляет 400 мВт и 1,3 Вт. Схема подключения стабилитрона в качестве базовой цепи стабилизации напряжения показана на рисунке 3.


Рисунок 3 — Подключение стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Полный и стабилизированный источник питания может быть получен путем использования выпрямительных диодов для изменения мощности переменного тока на мощность постоянного тока. Выпрямленное напряжение фильтруется, чтобы уменьшить пульсации выпрямленного сигнала. Затем используется стабилитрон для регулирования напряжения до желаемого конечного значения.Простая блок-схема источника питания показана на рисунке 4.

На блок-схеме Рисунка 4 каждый отдельный блок описан более подробно ниже:

  • Трансформатор: понижает напряжение сети переменного тока высокого напряжения до переменного тока низкого напряжения.
  • Диодный выпрямитель: преобразует переменный ток в постоянный, но на выходе постоянного тока присутствует большая составляющая пульсаций.
  • Фильтр: сглаживает постоянный ток от сильных колебаний и уменьшает составляющую пульсации.
  • Регулятор напряжения: устраняет пульсации, устанавливая на выходе постоянного тока фиксированное напряжение.
  • Нагрузка: это часть цепи, на которую подается питание постоянного тока для выполнения полезной работы.

Рисунок 4 — Простая блок-схема стабилизированного источника постоянного тока.

Лабораторная работа:

  1. Измерение характеристики постоянного тока стабилитрона:
    1. Установите напряжение постоянного тока источника питания на 0 В.
    2. Подключите схему стабилитрона, как показано на рисунке 5.
    3. Изменяйте напряжение питания постоянного тока небольшими шагами.Используйте цифровой вольтметр, измерьте V в , V R и V D , как показано на рисунке 5. Сведите данные измерений в таблицу.
    4. Для каждого шага вычислите постоянный ток через диод, который равен (В R /2000).
    5. Поменяйте полярность источника питания постоянного тока на рис. 5. Повторите шаги измерения с 1.a до 1.d.

    Рисунок 5 — Схема подключения для измерения характеристики постоянного тока стабилитрона
  2. Характеристика мостового выпрямителя:
    1. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 6, на котором R L = 1 кОм.Не подключайте конденсатор к нагрузке.
    2. Монитор V o (см. Рисунок 6) на осциллографе. ЗАПРЕЩАЕТСЯ контролировать V s и V o на осциллографе одновременно. Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемую форму волны. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R L .
    3. Подключите 47 мкФ к R L . Наблюдайте за V или на осциллографе и фиксируйте форму сигнала. Повторите измерение с конденсатором 10 мкФ.Сравните две формы выпрямленного сигнала, полученные с разными конденсаторами.
    4. Измените нагрузочный резистор на 10 кОм и 100 кОм и контролируйте выпрямленное напряжение на выходе. Прокомментируйте влияние сопротивления нагрузки на пульсации на выходе.

  3. Рисунок 6 — Нефильтрованный двухполупериодный выпрямитель с мостовым соединением диодов
  4. Характеристика двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом:
    1. Выполните необходимые измерения на трансформаторе с центральным ответвлением, чтобы определить, какой вывод является центральным ответвлением.
    2. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 7, на котором R L = 1 кОм. Не подключайте конденсатор к нагрузке.
    3. Контролируйте на осциллографе одновременно V s и V o (см. Рисунок 7). Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемые формы сигналов. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R L .
    4. Подключите 47 мкФ к R L . Наблюдайте за V s и V o на осциллографе и фиксируйте обе формы сигнала.

  5. Рисунок 7 — Схема нефильтрованного двухполупериодного выпрямителя, использованная в эксперименте
  6. Регулируемый источник питания постоянного тока:
    1. Рассмотрим схему источника питания постоянного тока, показанную на рисунке 8. Используя ранее измеренные выпрямленные напряжения постоянного тока и стабилитрон, вычислите минимальное значение R с , необходимое для защиты стабилитрона в условиях, когда нагрузка является разомкнутой цепью (это это наихудшее состояние). Стабилитрон рассчитан на 400 мВт, а минимальный ток стабилитрона составляет 5 мА.Обсудите результат с инструктором лаборатории, прежде чем использовать его в эксперименте.

    2. Рисунок 8 — Регулируемый источник питания постоянного тока
    3. Подключите схему, показанную на Рисунке 8, и используйте значение R s , вычисленное в 4.a. Следите за напряжением на нагрузке с помощью осциллографа. Измерьте напряжение на R L и напряжение на R s . Рассчитайте ток, проходящий через стабилитрон.
    4. Отсоедините R от L и измерьте напряжение и ток на стабилитроне.

Результаты и обсуждения:

В дополнение к вопросам, указанным в лабораторной процедуре, выполните следующие действия и ответьте на них:

  • Постройте график ВАХ стабилитрона.
  • Какое значение прямого сопротивления стабилитрона?
  • Что такое напряжение стабилитрона?

Характеристики пробоя стабилитрона — Inst Tools

Символ стабилитрона показан на рисунке ниже.Вместо прямой линии, представляющей катод, стабилитрон имеет изогнутую линию, которая напоминает вам букву Z (для стабилитрона).

Стабилитрон — это кремниевый pn переход, который предназначен для работы в области обратного пробоя. Напряжение пробоя стабилитрона устанавливается путем тщательного контроля уровня легирования во время изготовления.

Из обсуждения характеристической кривой диода в предыдущей статье видно, что когда диод достигает обратного пробоя, его напряжение остается почти постоянным, даже несмотря на то, что ток резко меняется, и это ключ к работе стабилитрона.Эта вольт-амперная характеристика снова показана на рисунке ниже, где нормальная рабочая область для стабилитронов показана заштрихованной областью.

Стабилитрон

Стабилитроны

предназначены для работы в режиме обратного пробоя. Два типа обратного пробоя стабилитрона — это лавинный и стабилитрон. Лавинный эффект возникает как в выпрямительном, так и в стабилитронах при достаточно высоком обратном напряжении. Пробой стабилитрона происходит в стабилитроне при малых обратных напряжениях.Стабилитрон сильно легирован для уменьшения напряжения пробоя. Это вызывает очень тонкую область истощения. В результате внутри обедненной области существует сильное электрическое поле. Вблизи напряжения пробоя стабилитрона (V) поле достаточно интенсивное, чтобы вытягивать электроны из их валентных зон и создавать ток.

Стабилитроны

с напряжением пробоя менее примерно 5 В работают преимущественно при пробое стабилитрона. Устройства с пробивным напряжением выше примерно 5 В работают преимущественно при лавинном пробое.Однако оба типа называются стабилитронами. Стабилитроны коммерчески доступны с напряжениями пробоя от менее 1 В до более 250 В с указанными допусками от 1% до 20%.

Характеристики стабилитрона

На рисунке ниже показана обратная часть характеристической кривой стабилитрона. Обратите внимание, что по мере увеличения обратного напряжения (VR) обратный ток (IR) остается чрезвычайно малым вплоть до «изгиба» кривой. Обратный ток также называют током стабилитрона IZ.В этот момент начинается эффект пробоя; внутреннее сопротивление стабилитрона, также называемое импедансом стабилитрона (ZZ), начинает уменьшаться по мере быстрого увеличения обратного тока. Снизу изгиба напряжение пробоя стабилитрона (VZ) остается практически постоянным, хотя оно немного увеличивается с увеличением тока стабилитрона IZ.

Рис: Обратная характеристика стабилитрона. VZ обычно указывается на значении тока стабилитрона, известном как испытательный ток.

Постановление Зенера

Ключевой особенностью стабилитрона является способность поддерживать постоянное обратное напряжение на его выводах. Стабилитрон, работающий при пробое, действует как регулятор напряжения, поскольку он поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах в заданном диапазоне значений обратного тока.

Необходимо поддерживать минимальное значение обратного тока IZK, чтобы диод не выходил из строя для регулирования напряжения.Вы можете видеть на кривой на рисунке выше, что, когда обратный ток уменьшается ниже изгиба кривой, напряжение резко падает и регулирование теряется. Также существует максимальный ток IZM, выше которого диод может выйти из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности. Таким образом, стабилитрон поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах для значений обратного тока в диапазоне от IZK до IZM. Номинальное напряжение стабилитрона, VZ, обычно указывается в таблице данных как значение обратного тока, называемого испытательным током стабилитрона.

Схемы эквивалента стабилитрона

На рисунке ниже показана идеальная модель (первое приближение) стабилитрона при обратном пробое и его идеальная характеристическая кривая. Он имеет постоянное падение напряжения, равное номинальному напряжению стабилитрона. Это постоянное падение напряжения на стабилитроне, вызванное обратным пробоем, представлено символом постоянного напряжения, даже если стабилитрон не вырабатывает напряжения.

Рис. Модель эквивалентной схемы идеального стабилитрона и характеристическая кривая.

На рисунке (а) ниже представлена ​​практическая модель (второе приближение) стабилитрона, в которую включено импеданс (сопротивление) стабилитрона ZZ. Поскольку фактическая кривая напряжения не является идеально вертикальной, изменение тока стабилитрона (ΔIZ) вызывает небольшое изменение напряжения стабилитрона (ΔVZ), как показано на рисунке ниже (b). По закону Ома отношение ΔVZ к ΔIZ является импедансом, выраженным в следующем уравнении:

Обычно ZZ задается при испытательном токе стабилитрона.В большинстве случаев можно предположить, что ZZ представляет собой небольшую константу во всем диапазоне значений тока стабилитрона и является чисто резистивной. Лучше избегать использования стабилитрона около изгиба кривой, потому что импеданс в этой области резко меняется.

Рис. Практическая эквивалентная схема стабилитрона и характеристическая кривая, иллюстрирующая ZZ.

Для большинства работ по анализу схем и поиску неисправностей идеальная модель даст очень хорошие результаты, и ее намного проще использовать, чем более сложные модели.Когда стабилитрон работает нормально, он будет иметь обратный пробой, и вы должны наблюдать номинальное напряжение пробоя на нем. На большинстве схем показано, каким должно быть это напряжение.

Основное применение стабилитронов — стабилизатор напряжения для обеспечения стабильных опорных напряжений для использования в источниках питания, вольтметрах и других приборах.

Напряжение пробоя стабилитрона

Существует два различных механизма, из-за которых в стабилитроне может произойти пробой.Они приведены ниже

  1. Стабилитрон
  2. Лавина

Различные поломки обычно различаются в зависимости от концентрации легирующего вещества. Когда PN-переход сильно легирован, пробой стабилитрона происходит, в то время как лавинный пробой происходит только тогда, когда PN-переход очень слабо легирован.

1. Стабилитрон:

Пробой стабилитрона происходит, когда напряжение обратного смещения на p-n-переходе достаточно велико, так что результирующее электрическое поле в переходе оказывает на связанный электрон большую силу, чтобы вырвать его из ковалентной связи.Таким образом, прямой разрыв ковалентных связей производит большое количество электронно-дырочных пар, тем самым увеличивая обратный ток. Этот процесс называется пробоем Зенера. Поскольку напряжение пробоя уменьшается с увеличением температуры перехода, это отрицательные температурные коэффициенты.

2. Выявление лавин:

Термически генерируемый носитель падает через переходной барьер и получает энергию от приложенного потенциала. Этот носитель сталкивается с кристаллическим ионом и передает энергию, достаточную для нарушения ковалентной связи.В дополнение к исходному носителю была создана новая электронно-дырочная пара. Эти носители могут также получать достаточную энергию от приложенного поля, сталкиваться с другим кристаллическим ионом и все же создавать другие электронно-дырочные пары. Этот процесс известен как умножение лавины. При этом напряжение пробоя увеличивается с повышением температуры. Стабилитроны имеют диапазон напряжения пробоя от 3 до 200 В.

Применение стабилитронов

Различные применения стабилитрона,

  1. В различных схемах защиты.
  2. В стабилитронах, то есть схемах ограничения, которые используются для отсечения нежелательной части формы волны напряжения.
  3. Как регулирующий элемент в регуляторах напряжения.

Характеристики и применение стабилитрона

что такое стабилитрон?

Основное применение стабилитронов — стабилизатор напряжения для обеспечения стабильных опорных напряжений для использования в источниках питания, вольтметрах и других приборах. В этом разделе вы увидите, как стабилитрон поддерживает почти постоянное пониженное напряжение при надлежащих рабочих условиях.Вы узнаете об условиях и иллюстрациях для правильного использования стабилитрона, а также о факторах, которые влияют на его работу.

После заполнения этого раздела вы сможете:

Характеристики стабилитрона

Опишите характеристики стабилитрона и проанализируйте его работу
  • Распознать стабилитрон по его условному обозначению
  • Обсудить пробой стабилитрона
  • Определение схода лавины
  • Объясните характеристики пробоя стабилитрона
  • Опишите постановление Зенера
  • Обсудить эквивалентные схемы стабилитронов
  • Определить температурный коэффициент
  • Анализировать напряжение стабилитрона как функцию температуры
  • Обсудить рассеяние мощности стабилитрона и снижение номинальных характеристик
  • Снижение мощности стабилитрона
  • Интерпретация паспортов стабилитронов

Вместо прямой линии, представляющей катод, стабилитрон имеет изогнутую линию, которая напоминает вам букву Z (для стабилитрона).Стабилитрон — это кремниевый PN-переходник, предназначенный для работы в области обратного пробоя.

Напряжение в области пробоя стабилитрона устанавливается путем тщательного контроля уровня легирования во время изготовления. Напомним, из обсуждения кривой характеристик диода, когда диод достигает обратного пробоя, его напряжение остается почти постоянным даже при резких изменениях тока, и это ключ к работе диода Зенера. Эта вольт-амперная характеристика с нормальной рабочей областью для стабилитронов показана заштрихованной областью.

Стабилитрон:

Стабилитроны

предназначены для работы в режиме обратного пробоя. Два типа обратного пробоя в стабилитроне — это лавинный и стабилитрон. Лавинный эффект возникает как в выпрямителе, так и в стабилитронах при достаточно высоком обратном напряжении. Пробой стабилитрона происходит в стабилитроне при низких обратных напряжениях. Стабилитрон сильно легирован для уменьшения напряжения пробоя. Причина — очень тонкая область истощения. В результате внутри обедненной области существует интенсивный электрический поток.Вблизи напряжения пробоя стабилитрона (Vz) поле достаточно интенсивное, чтобы вытягивать электроны из их валентных зон и создавать ток.

Стабилитроны

с напряжением пробоя менее примерно 5 В работают преимущественно при лавинном пробое. Однако оба типа называются стабилитронами. Стабилитроны коммерчески доступны с напряжениями пробоя от менее 1 В до более 250 В с указанными допусками от 1% до 20%.

Диагностическая характеристика

Обратный участок характеристики стабилитрона.Обратите внимание, что обратное напряжение (V R) остается чрезвычайно малым до «изгиба» кривой. Обратный ток также называется током Зенера, Iz. В этот момент начинаются эффекты пробоя; внутреннее сопротивление стабилитрона, также называемое импедансом стабилитрона (Zz), начинает уменьшаться по мере быстрого увеличения обратного тока. Снизу изгиба напряжение пробоя стабилитрона (Vz) остается практически постоянным, хотя оно немного увеличивается с увеличением тока стабилитрона Iz, .

Регламент Зенера:

Ключевой особенностью стабилитрона является способность поддерживать постоянное обратное напряжение на его выводах. Стабилитрон, работающий при пробое, действует как стабилизатор напряжения, потому что он поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах в заданном диапазоне значений обратного тока.

Необходимо поддерживать минимальное значение обратного тока, I zk , чтобы диод не выходил из строя для регулирования напряжения.Вы можете видеть на кривой, что, когда обратный ток уменьшается ниже изгиба кривой, напряжения резко снижаются и регулирование теряется. Кроме того, существует максимальный ток, I zm , , выше которого диод может быть поврежден из-за чрезмерного рассеивания мощности. Таким образом, стабилитрон поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах для значений обратного тока в диапазоне от I zk до I zm . Номинальное напряжение стабилитрона Vz обычно указывается в таблице данных как значение обратного тока, называемого испытательным током стабилитрона.

Эквивалентные схемы стабилитрона

Идеальная модель (первое приближение) стабилитрона в обратном пробое и ее идеальная кривая характеристик. Он имеет постоянное падение напряжения, равное номинальному напряжению стабилитрона. Это постоянное падение напряжения на стабилитроне, вызванное обратным пробоем, представлено символом де напряжения, даже если стабилитрон не вырабатывает напряжения.

Представляет практическую модель (второе приближение) стабилитрона, в которую включен импеданс (сопротивление) стабилитрона Zz.Поскольку фактическая кривая напряжения не является идеально вертикальной, изменение тока стабилитрона (Δ I z) вызывает небольшое изменение напряжения стабилитрона (Δ I z), как показано. По закону Ома отношение Δ Vz к Δ V I z является импедансом, выраженным в следующем уравнении:

Обычно Zz задается при испытательном токе стабилитрона. В большинстве случаев можно предположить, что Zz является небольшой константой во всем диапазоне значений тока Зенера и является чисто резистивной.Лучше избегать использования стабилитрона около изгиба кривой, потому что импеданс в этой области резко меняется.

Для большинства работ по анализу схем и поиску неисправностей идеальная модель дает очень хорошие результаты и ее намного проще использовать, чем более сложные модели. Когда стабилитрон работает нормально, он будет иметь обратный пробой, и вы должны наблюдать номинальное напряжение пробоя на нем. Большинство схем указывает на чертеже, что это напряжение должно быть.

Стабилитрон демонстрирует определенное изменение Vz для определенного значения в Iz на участке кривой линейных характеристик между I ZM, как показано. Что такое импеданс стабилитрона?

Температурный коэффициент:

Температурный коэффициент определяет процентное изменение напряжения стабилитрона на каждый градус Цельсия изменения температуры. Например, стабилитрон на 12 В с положительным температурным коэффициентом 0,01% ° C будет демонстрировать увеличение Vz на 1,2 мВ при повышении температуры перехода на один градус Цельсия.Формула для расчета изменения напряжения стабилитрона при заданном изменении температуры перехода и заданном температурном коэффициенте составляет

.

ΔVz = Vz × TC × ΔT

, где Vz — номинальное напряжение стабилитрона при эталонной температуре 25 ° C, TC — температурный коэффициент, а ΔT — изменение температуры от эталонной температуры. Положительный TC означает, что напряжение стабилитрона увеличивается с повышением температуры или уменьшается с повышением температуры или увеличивается с понижением температуры.

В некоторых случаях температурный коэффициент выражается в мВ / ° C, а не в% ° C. Для этих случаев ΔVz рассчитывается как

ΔVz = TC × ΔT

Рассеивание мощности на стабилитроне и снижение номинальных характеристик:

Стабилитрон

рассчитан на работу при максимальной мощности, называемой максимальной рассеиваемой мощностью постоянного тока, p D (макс.) = 500 c мВт, а 1N3305A рассчитан на P D (макс.) = 50 Вт. диссипация определяется по формуле,

P D = V Z I Z

Снижение мощности:

Максимальная рассеиваемая мощность стабилитрона обычно указывается для температур, равных или ниже определенного значения (например, 50 ° C).Выше указанной температуры максимальная рассеиваемая мощность снижается в соответствии с коэффициентом снижения номинальных характеристик. Коэффициент снижения мощности выражается в мВт / ° C. Максимальную пониженную мощность можно определить по следующей формуле:

P D (снижение мощности) = P D (макс.) — (мВт / C °) ΔT

Стабилитрон Информация о листе данных:

Количество и тип информации, содержащейся в технических описаниях стабилитронов (или любой категории электронного устройства), варьируется от одного типа диода к другому.Даташит для некоторых стабилитронов содержит больше информации, чем для других. Пример типа изученной вами информации, который можно найти в типовой таблице данных. Эта конкретная информация относится к серии стабилитронов 1N4728A-1N4764A.

Абсолютный максимум рейтингов:

Максимальная рассеиваемая мощность, P D , составляет 1,0 Вт при температуре до 50 ° C. Обычно стабилитрон должен работать минимум на 20% ниже этого максимума, чтобы обеспечить надежность и более длительный срок службы. Рассеиваемая мощность снижена, как показано в таблице под номером 6.67 мВт на каждый градус выше 50 ° C. Например, при использовании проиллюстрированной процедуры максимальная рассеиваемая мощность составляет 60 ° C.

Обратите внимание, что максимальный обратный ток не указан, но может быть определен из максимальной рассеиваемой мощности для данного значения Vz. Например, при 50 ° C максимальный ток стабилитрона для напряжения стабилитрона 3,3 В составляет

Температура открытого перехода T J и температура хранения T STG, находятся в диапазоне от -65 ° C до 200 ° C.

Электрические характеристики:

В первом столбце таблицы перечислены номера типов стабилитронов от 1N1728A до IN4764A.

Напряжение стабилитрона, Vz, и испытательный ток стабилитрона,

I z:

Для каждого типа устройства указаны минимальное, типичное и максимальное напряжение стабилитрона. Vz измеряется при заданном испытательном токе стабилитрона Iz. Например, напряжение стабилитрона для 1N4728A может находиться в диапазоне от 3,315 В до 3,465 В с типичным значением 3,3 В при испытательном токе 76 мА.

Максимальный импеданс стабилитрона:

Zz — максимальное сопротивление стабилитрона при заданном испытательном токе Iz. Например, для 1N4728A Zz составляет 10 Ом при 76 мА. Максимальный импеданс стабилитрона Z zk составляет 400 Ом при 1 мА для 1N4728A.

Ток утечки:

Обратный ток утечки указан для обратного напряжения менее

напряжение колена. Это означает, что для этих измерений стабилитрон не работает в обратном режиме. Например, I R составляет 100 мкА для обратного напряжения 1 В в 1N4728A.

Смотрите также:

Связанные темы

Мы также рекомендуем: Электричество и магнетизм

Конструкция

, принципиальная схема, работа и применение

Диод — один из основных компонентов электронных схем. Если вы хотите знать о напряжениях, вы должны знать о диодах. Диод в основном состоит из полупроводников, которые имеют две характеристики: тип «P» и тип «N».Полупроводники типа «P» и «N» представляют собой полупроводники положительного и отрицательного типа. Полупроводник типа «P» будет иметь избыточное количество дырок в конфигурации, а полупроводник типа «N» будет иметь избыточное количество электронов. Если в монокристалле присутствуют оба типа характеристик, его можно назвать диодом. Положительная клемма батареи соединяется со стороной «P», а отрицательная сторона — со стороной «N». Давайте обсудим работу стабилитрона. Это не что иное, как простой диод, подключенный в обратном направлении.


Что такое стабилитрон?

В основном это особые свойства диода, а не какого-либо специального оборудования. Человек по имени Клиренс Зинер изобрел это свойство диода, поэтому он назван в его честь в память о нем. Особенность диода заключается в том, что при приложении напряжения к цепи с обратным смещением произойдет пробой в цепи.

Стабилитрон

Не пропускает ток через него. Когда напряжение на диоде увеличивается, температура также увеличивается, и ионы кристалла колеблются с большей амплитудой, и все это приводит к пробою обедненного слоя.Слой на стыке типа «П» и типа «Н». Когда приложенное напряжение превышает определенную величину, происходит пробой Зенера.

Это не что иное, как один диод, подключенный в режиме обратного смещения, а стабилитрон может быть подключен в режиме обратного смещения положительным в цепи, как показано на рисунке. Мы можем подключить его для разных приложений.

Условное обозначение цепи стабилитрона показано на рисунке. Для удобства используется нормально. Обсуждая диодные схемы, следует обратить внимание на графическое представление работы стабилитрона.Это называется ВАХ обычного диода с p — n переходом.

Подключение диода
Стабилитрон

Есть много способов упаковки этого диода, который в основном используется для больших диапазонов рассеяния мощности, а другие включают форматы для поверхностного монтажа. Обычный тип стабилитрона заключен в стеклянную капсулу. На одном конце этого стекла есть полоса вокруг и маркировка на катодной стороне диода.

Из приведенной выше диаграммы мы можем заметить, что полоса вокруг упаковки соответствует строке на символе, так что концы диодов можно легко запомнить.Обозначение схемы стабилитрона включает две метки на конце полосы, одна из которых направлена ​​вверх, а другая — вниз. Так что это помогает отличить эти диоды от других типов диодов в цепи.

Строительство

Конструкция стабилитрона показана ниже. Это диффузная структура, потому что оба субстрата, такие как P и N, диффундируют вместе. Область соединения может быть покрыта слоем SiO2 (диоксида кремния).
Одновременно на протяжении всей конструкции вся конструкция может быть металлизирована для создания анодных и катодных соединений. Таким образом, слой SiO2 в основном помогает остановить заражение переходов. Поэтому он используется при создании стабилитрона.

Работа диода в основном зависит от диапазона допирования в PN-переходе. Для небольшого напряжения обратного смещения область обеднения чрезвычайно тонкая, а электрическое поле чрезвычайно велико. Это позволяет электронам перемещаться из валентной зоны в зону проводимости.

Напряжение пробоя стабилитронов можно точно контролировать во время уровня легирования. Напряжение пробоя стабилитронов может составлять от 1,2 В до 200 В. Диоды с легким легированием и напряжение пробоя ниже 5,6 В, пробой определяется действием лавины, а не эффектом Зенера.


Типы стабилитронов

Категоризация стабилитрона может быть сделана на основе нескольких параметров, таких как следующий

  • Номинальное напряжение
  • Максимальный обратный ток
  • Рассеиваемая мощность
  • Тип упаковки
  • Ток прямого привода
  • Прямое напряжение

Как работает стабилитрон?

Работа стабилитрона в основном зависит от таких режимов смещения, как прямое и обратное.Когда этот диод подключен с прямым смещением, он работает как обычный диод, тогда как он подключен с обратным смещением, тогда в диоде будет небольшая утечка тока.

Когда обратное напряжение превышает фиксированное напряжение пробоя (Vz), через диод протекает ток. Таким образом, ток увеличивается до максимального уровня, который подтверждается последовательным резистором, когда он стабилизируется и остается стабильным в широком диапазоне приложенного напряжения. Для стабилитрона существует два вида пробоев, таких как лавинный пробой и пробой стабилитрона.

Лавина

Этот вид пробоя в основном возникает как в нормальных диодах, так и в стабилитронах при максимальном обратном напряжении. Как только на PN-переход подается максимальное обратное напряжение, электроны получают достаточную энергию для ускорения с высокими скоростями.

Эти электроны начнут двигаться с большой скоростью, чтобы разбить другие атомы и оторвать еще больше электронов. Из-за этого непрекращающегося сбоя будет генерироваться некоторое количество свободных электронов, и ток внутри диода быстро возрастет.

Таким образом, это неожиданное увеличение электрического тока может навсегда разрушить нормальный диод, но конструкция этого диода может быть выполнена таким образом, чтобы он работал при лавинном пробое и мог поддерживать неожиданный всплеск тока. Этот вид пробоя в основном происходит в стабилитронах из-за напряжения стабилитрона (Vz) выше 6 В.

Стабилитрон

Когда приложенное напряжение приближается к напряжению Зенера, электрическое поле в области обеднения становится сильным, чтобы увлечь электроны из их валентной зоны.Таким образом, электроны в валентном состоянии получат достаточную энергию от электрического поля области обеднения и покинут основной атом. В области пробоя стабилитрона при увеличении напряжения возрастает и электрический ток.

Диод может быть упакован разными способами. Некоторые из них используются для высоких уровней рассеивания мощности, а другие предназначены для поверхностного монтажа. Наиболее распространенный тип стабилитронов заключен в небольшую стеклянную капсулу. У него есть полоса вокруг одного конца, обозначающая катодную сторону диода.

Технические характеристики

Технические характеристики стабилитрона включают следующее.

Напряжение (Vz)

Напряжение стабилитрона — это напряжение обратного пробоя, которое находится в диапазоне от 2,4 В до 200 В и может повышаться до 1 кВ, тогда как максимальное значение для SMD (устройство для поверхностного монтажа) составляет около 47 В.

Максимальный ток Iz (макс.)

Максимальный ток, требуемый при номинальном напряжении стабилитрона, составляет Vz в диапазоне от 200 мкА до 200 А.

Минимальный ток Iz (мин)

Требуемый минимальный ток пробоя этого диода в диапазоне от 5 мА до 10 мА.

Номинальная мощность

Наибольшая мощность, рассеиваемая этим диодом, определяется как произведение напряжения на диоде и протекания через него тока. Типичные значения в основном включают 400 мВт, 500 мВт, 1 Вт и 5 Вт. Аналогично, для SMD значения составляют 200 мВт, 350 мВт, 500 мВт и 1 Вт.

Допуск напряжения

Допуск напряжения этого диода составляет ± 5%.

Температурная стабильность

Наилучшая стабильность диода примерно 5 В

Упаковка

Устройства с выводами, а также поверхность, монтируются либо как дискретные устройства, либо в интегральных схемах.

Стабилитрон (Rz)

Диод показывает некоторое сопротивление, что видно из характеристик VI.

Характеристики стабилитрона

На приведенной выше диаграмме показаны вольт-амперные характеристики стабилитрона.Когда диод подключен в прямом направлении, диод смещения действует как обычный диод. Когда напряжение обратного смещения больше заданного напряжения, возникает напряжение пробоя стабилитрона. Для получения напряжения пробоя контролируется резкое и отчетливое легирование и устраняются дефекты поверхности. В приведенных выше характеристиках V-I Vz — это напряжение стабилитрона. А также напряжение на колене, потому что в этот момент ток очень быстрый.

Характеристики

Применение стабилитрона

Стабилитрон

широко используется в качестве шунтирующего регулятора или регулятора напряжения.Изучив первую часть статьи, мы знаем, что такое стабилитрон и каков основной принцип работы. Здесь возникает вопрос, где могут быть полезны диоды этого типа. Основное применение этого типа диодов — стабилизатор напряжения, устройство защиты от перенапряжения и источник опорного напряжения.

Проверка диода

Мы обсудили применение стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения , а теперь обсудим два других момента.

Устройство защиты от перенапряжения

Защита от перенапряжения выполняется с помощью стабилитронов, поскольку через диод проходит ток после того, как напряжение обратного смещения превышает определенное значение.Эта схема обеспечивает безопасность оборудования, подключенного к клеммам. Обычно ток не должен превышать нормального клапана, но если из-за какой-либо неисправности в цепи ток превышает максимально допустимое напряжение, то оборудование системы может быть повреждено.

Используется тиристор, с помощью которого быстро снижается выходное напряжение и перегорает предохранитель, отключающий питание входного источника. Схема схемы показана ниже для лучшего понимания,

Схема на стабилитроне

Опорное напряжение определяет постоянную подачу силового тока или напряжения при работе стабилитрона.Если подача тока такая же, то, чтобы избежать нестабильной работы, мы используем стабилитроны. Они используются там, где требуется опорное напряжение, например, амперметры, омметры и вольтметры.

Стабилитрон как регулятор напряжения

Термин «регулятор» означает «регулирующий». Этот диод может работать как регулятор напряжения, если он включен в цепь. Выходной сигнал на диоде будет постоянным. Он приводится в действие источником тока. Как мы знаем, если напряжение на диоде превышает определенное значение, он потребляет чрезмерный ток от источника питания.Принципиальная схема стабилитрона как стабилизатора напряжения приведена ниже,

.

Чтобы зафиксировать ток через этот диод, вводится последовательное сопротивление «R», значение которого может быть выбрано из следующего уравнения

Номинальное сопротивление резистора (Ом) = (V1 — V2) / (ток стабилитрона + ток нагрузки)

На приведенной выше схеме показаны шунтирующие регуляторы, поскольку регулирующий элемент параллелен нагрузочному элементу. Этот диод создает стабильное опорное напряжение на нагрузке, которое удовлетворяет требованиям регулятора.

Этот диод позволяет току течь в прямом направлении так же, как идеальный диод. Он также позволяет течь в обратном направлении, когда напряжение выше определенного значения, известного как напряжение пробоя.

Это устройство названо в честь Зенера, и оно обнаружило это электрическое свойство. Стабилитрон — это диод, в котором обратный пробой происходит из-за квантового туннелирования электронов под действием высокого электрического поля, называемого эффектом Зенера. Многие диоды, описываемые как стабилитроны, вместо этого полагаются на лавинный пробой.Оба типа используются с преобладанием эффекта Зенера до напряжения 5,6 В и лавинного пробоя выше. Обычные приложения включают обеспечение опорного напряжения для регуляторов напряжения. Это необходимо для защиты устройств от кратковременных импульсов напряжения.

Схема подключения

Эти устройства также встречаются последовательно с переходом база-эмиттер. На транзисторных каскадах, когда выбор устройства сосредоточен вокруг лавины или точки Зенера. Его можно использовать для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки транзистора.Усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе обратной связи цепи регулируемого источника питания, является одним из примеров.

Они также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения систем с импульсными скачками напряжения, а еще одним применением диода является использование шума, вызванного его лавинным пробоем в генераторе случайных чисел. Не могли бы вы рассказать мне, как еще можно использовать стабилитрон? Комментируя.

Разница между PN переходным диодом и стабилитроном

Разница между PN-переходным диодом и стабилитроном заключается в следующем.

PN Соединительный диод Стабилитрон
Диод с PN-переходом — это полупроводниковый диод, который проводит только в одном направлении, а именно в прямом направлении. Диод, который позволяет току течь как в прямом, так и в обратном направлении, такой тип диода известен как стабилитрон.
Переход может быть поврежден обратным током Не повреждает стык
Низкий уровень легирования диода на pn-переходе Высокий уровень легирования этого диода
В этом переходе пробой в основном происходит при более высоком напряжении. В этом диоде пробой происходит в основном при более низком напряжении.
PN-переход соответствует закону Ома Этот диод не подчиняется закону Ома.
Диод с PN-переходом применяется в основном для выпрямления Этот диод используется в стабилизаторе напряжения, формировании волны и защите двигателя

Преимущества

К преимуществам стабилитрона e можно отнести следующее.

  • По сравнению с обычными диодами стабилитрон дороже
  • Используется в меньших схемах
  • Возможность переключения напряжения
  • Контроль тока перенапряжения
  • Простая совместимость и доступность для разных систем
  • Напряжение цепи можно изменять и стабилизировать
  • Обеспечивает высокую производительность
  • Защищает от перенапряжения

Недостатки

К недостаткам стабилитрона можно отнести следующее.

  • Для большого тока нагрузки этот диод не подходит
  • DC o / p напряжение может немного измениться из-за сопротивления стабилитрона.
  • Невозможно регулировать выходное напряжение
  • Изменения в токе нагрузки вызывают изменения в токе Зенера.
  • Меньше регулирования напряжения
  • Высокое внутреннее сопротивление цепи.

Итак, это все об обзоре стабилитрона и его работы. Эти диоды используются в промышленных и коммерческих приложениях.Некоторые из них похожи на стабилизатор или регулятор напряжения, устройство защиты измерителя и формирователь волн. Эти диоды в основном предназначены для работы в условиях обратного смещения, при которых они начинают пропускать значительный ток. Он работает как регулятор напряжения, потребляя слабый ток, если напряжение очень низкое; в противном случае, если напряжение слишком высокое, он потребляет больше тока. Вот вам вопрос, какие типы диодов доступны на рынке?

Фото:

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *