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 U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. напряжение стабилизации U_ст.

Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах I_{ст min}. I_{ст max}, называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизации U_ст незначительно зависит от тока

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

В общем случае U_ст 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 ΔU_стном, представляющий собой максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов одного типа.

2. минимально допустимый ток стабилизации I_{ст 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 U_ст. Величина минимально допустимого тока стабилизации I_{ст min} задает минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации U_ст.

3. максимально допустимый ток стабилизации

I_{ст 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 I_{ст max} во избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.

4. номинальный ток стабилизации:

. (7)

5. номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока I_{ст ном}

.

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

. (8)

Чем меньше r_д, тем лучше стабилизация напряжения.

7. статическое сопротивление стабилитрона R_ст 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.

U_стаб. – напряжение стабилизации

I_стаб.min – минимальный ток стабилизации

I_стаб.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 R_Д=0. U_стаб. =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 (U_обр.max) – это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров U_вкл.= U_обр.max
3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.
4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U_пр.= 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».

1.6. Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон – это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Состояние пробоя не ведет к порче стабилитрона, а является его нормальным рабочим состоянием.

Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения.

Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжений, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности.

Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.

Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.

1.7. Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона

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 U_стлишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизацииI_ст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. напряжение стабилизации U_ст.

Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах I_{ст min}…I_{ст max}, называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизацииU_стнезначительно зависит от токаI_ст. Напряжение стабилизации связано с напряжением пробоя, но не равно ему, так как ВАХ имеет определенную крутизну.

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

2. минимально допустимый ток стабилизации I_ст 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 U_ст. Величина минимально допустимого тока стабилизацииI_ст minзадает минимальный ток, при котором гарантируется вводp-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизацииU_ст.

3. максимально допустимый ток стабилизации I_ст 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 I_ст maxво избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.

4. номинальный ток стабилизации:

. (7)

5. номинальное напряжение стабилизации U_ст ном– падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении токаI_ст ном.

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

. (8)

Чем меньше r_д, тем лучше стабилизация напряжения.

7. статическое сопротивление стабилитрона R_ств 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_Uстпоказывает, 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.

Пробой p-n перехода

С ростом обратного напряжения может наступить пробой p—n перехода. При этом ток и проводимость в обратном направлении резко возрастают. Различают три основных вида пробоя, два из которых являются следствием чрезмерно большого электрического поля в переходе, третий связан с тепловыми явлениями. Вольт — амперные характеристики (ВАХ) туннельного — 1, лавинного — 2 и теплового — 3 пробоев представлены на рис.3.

Рис. 3 Обратные ветви ВАХ p-n перехода в области пробоя

Через I_sобозначен обратный ток насыщения. Обратная ветвь здесь изображена в сильно увеличенном масштабе, поэтому в начале координат имеет место ″излом″ характеристики.

Все рассмотренные виды пробоев являются обратимыми, т.е. диод может оставаться работоспособным после пробоя, если средняя мощность, выделяемая в переходе, не превысит максимально допустимую, при которой начинают происходить необратимые изменения в кристаллической структуре полупроводника, характерные для теплового пробоя. Максимальная мощность рассеивания указывается в паспорте полупроводникового прибора.

Стабилитроны. Вах стабилитрона

Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации, то есть поддержания неизменным, уровня постоянного напряжения. На его вольтамперной характеристике имеется участок, где напряжение почти не зависит от величины протекающего тока. Таким является участок электрического пробоя, где ток изменяется в широком диапазоне, не допускающем перехода в необратимый тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ.

Схема подключения стабилитрона представлена на рис. 4. Резистор R_o подбирается таким, чтобы протекающий через стабилитрон ток I_ст соответствовал среднему (называемому номинальным I_ст.ном) значению тока рабочего режима стабилитрона между I_ст.min и I_ст.max.

Принцип действия стабилитрона: при уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на R_o тоже уменьшается, но напряжения на стабилитроне и на нагрузке, исходя из вольтамперной характеристики (рис. 5.), остаются постоянными. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и U_Ro увеличиваются, а напряжение на нагрузке так же остаётся неизменным. Стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от значений I_ст.min до значений I_ст.max.

Рис. 4. Схема подключения стабилитрона

Рис. 5. Типичная ВАХ стабилитрона

Описание установки

Лабораторная работа выполняется на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 6, где П₁, П₂ – переключатели, П – потенциометр, A — многопредельный амперметр, V — многопредельный вольтметр.

Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1. Получить у лаборанта образец графика для построения ВАХ.

2. С разрешения преподавателя включить в сеть источник питания. Ручка потенциометра должна быть при этом установлена на ″0″.

3. Поставить переключатели П1 и П2 в положения ″Диод″ и ″Прямой ток″.

4. Установить предел измерения токового прибора ″0,5″ А.

5. Снять ВАХ диода в прямом направлении. Для этого, установив с помощью потенциометра П одно из допустимых значений тока, считывают показания вольтметра и отмечают на подготовленном для построения графика листе точку пересечения значений одновременно измеренных тока I и напряжения U. Устанавливают другое значение тока, считывают соответствующее ему напряжение и ставят следующую точку. Изменяя ток несколько раз (7-9 раз) и через получившиеся точки проводят плавную линию, которая и будет прямой ветвью ВАХ п.п. диода. Если подобная методика снятия ВАХ вызывает затруднение, можно значения одновременно измеренных тока и напряжения предварительно занести в таблицу,

а затем уже по этим данным, с соблюдением масштаба, построить ВАХ, т.е. зависимость I=f(U).

6. Установить предел токового прибора в положение ″50 мкА″.

7. Установить переключатель П2 в положение ″Обратный ток″.

8. Изменяя напряжение (7-9 раз), снять ВАХ диода в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5).

9. Установить переключатель П1 в положение ″Стабилитрон″.

10. Установить предел токового прибора в положение ″50мА″.

11. Изменяя напряжение, снять ВАХ стабилитрона в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5). 12. Установить переключатель П2 в положение ″Прямой ток″ и, не изменяя предела измерения миллиамперметра, снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона (по аналогии с пунктом 5).

13. Построить на одном графике ВАХ диода и стабилитрона. По графикам определить величину обратного тока диода и величину напряжения стабилизации стабилитрона.

ВНИМАНИЕ! Перед каждым измерением ручка потенциометра должна быть установлена в начальное положение, т.е. на ″0″.

СТАБИЛИТРОНЫ

Современная электронная аппаратура предъявляет жёсткие требования к стабильности постоянного напряжения источника питания. Настолько жёстки эти требования, можно судить по таким цифрам. Малой стабильностью считают такую, при которой изменения выходного напряжения источника питания составляют 2-5%, средней стабильностью 0,5-2%, высокой 0,1-0,5%, очень высокой – менее 0,1%. Такие высокие показатели стабильности высокого напряжения источника питания невозможно получить без специального устройства – стабилизатора постоянного напряжения, который включается на выходе источника питания.

Следует заменить, что основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и сопротивление нагрузки. Оба дестабилизирующих фактора могут быть медленными – от нескольких минут до нескольких часов и быстрыми – доли секунды. И те и другие изменения постоянного напряжения отрицательно сказываются на работе электронной аппаратуры, поэтому стабилизатор должен действовать непрерывно и автоматически.

На основании изложенного можно дать следующее определение. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Основой его служит стабилитрон – кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и нагрузка, подключенная к нему, поддерживается практически постоянным.

Рисунок 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Вольтамперные характеристики нескольких, наиболее часто используемых стабилитронов, показаны на рисунке 1. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растёт очень медленно (на характеристике – горизонтальный участок ветвей), а затем, при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-n перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике – спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС 133А, например, при 3…3,7 В, у стабилитрона Д808 – при 7…8,5 В.

В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик. Пробой р-n перехода не ведёт к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.

Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему это малому изменению тока стабилизации.

Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации, т.е наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме пробоя устойчива, и не больше максимального тока стабилизации наибольшего тока, при котором температура нагрева р-n перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируется по его напряжению стабилизации   – напряжению между его выводами в рабочем режиме.

Рисунок 2 Электрическая принципиальная схема простейшего параметрического стабилизатора

Практическая часть

1) Снятие вольтамперной характеристики

Рисунок 3 Электрическая принципиальная схема для снятия вольт амперной характеристики стабилитрона

Тут приведена полярность для обратной ветви характеристики, для снятия прямой ветви соответственно изменить полярность питания и подключения измерительных приборов.

Соберём схему по рисунку 3. Для снятия вольтамперной характеристики стабилитрона вначале изменяют прямое, а затем обратное напряжение, подводимое к диоду, и следят за изменениями тока в цепи. Для построения характеристики достаточно снять 5-6 показаний приборов для прямой и 8-10 показаний для обратной ветви характеристики. Особенно тщательно следует снимать характеристику на участке стабилизации, так как здесь в широком диапазоне изменения тока диода напряжение Uст меняется незначительно. Данные наблюдений записывают в таблицу I= f (U)

2) Построение вольтамперной характеристики

График вольтамперной характеристики кремниевого стабилитрона строят по результатам таблицы. Примерный вид вольтамперной характеристики показан на рисунке 4.

Рисунок 4 Примерный вид вольтамперной характеристики

Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема для исследования параметрического стабилизатора

Схема для исследования параметрического стабилизатора показана на рисунке 5. Поочередно осуществляется подключение нагрузочных резисторов R2 или R3 с разными сопротивлениями, тем самым изменяется нагрузочный ток.

Порядок выполнения работы

1. Подключить к схеме для исследования параметрического стабилизатора измерительную аппаратуру и источник питания. Подготовить приборы для измерения соответствующих параметров.
2. Рассчитать по известным параметрам схемы коэффициент стабилизации напряжения Кст стабилизатора.
3. Определить экспериментально и записать в таблицу коэффициент стабилизации напряжения при изменениях входного напряжения от 25 до 30 В для обоих нагрузочных резисторов. Для чего установить входное напряжение стабилизатора с точностью до 0,05 В. Затем увеличив входное напряжение до 30 В снова измерить входное напряжение. По результатам измерений, записанных в таблицу,  по формуле (6) определить искомый коэффициент стабилизации, сравнив с расчётами, сделанными в п.2, учитывая, что они могут отличаться на 20-30%.
4. Определить расчётно-экспериментальным путём минимальное и максимальное сопротивление балластного резистора. Для определения сопротивление балластного резистора по формулам (4) необходимо измерить минимальное и максимальное значения нагрузочного тока, определённое при любом входном напряжении от 25 до 30 В. В качестве напряжения Uст принять значение напряжения Uн из таблицы, округляя его до 0,1 долей вольта.
5. Определение коэффициента стабилизации.

Используемый в лабораторной работе стабилитрон Д814Б и резисторы (балластное сопротивление R1 МЛТ-2 510 Ом, нагрузочные резисторы R2 МЛТ-1 1 кОм и R3 МЛТ-0,5 3 кОм) закреплены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

Первая часть лабораторной работы состоит в снятии прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики стабилитрона

Во второй части на основе стабилитрона собирается простейший параметрический стабилизатор. 

Меняя напряжение на входе стабилизатора, можно убедиться, что напряжение на нагрузке (резистор R2 или R3) изменяться практически не будет. Аналогично переключая резисторы R2 или R3 можно удостовериться, что изменение сопротивления нагрузки также не приводит к значительным колебаниям напряжения на ней.

Здесь были использованы сокращения материала в теоретической части, полную версию работы прочитайте тут. Специально для radioskot.ru — Denev

   Форум

   Обсудить статью СТАБИЛИТРОНЫ

Вольт-амперная характеристика диода (ВАХ). — КиберПедия

Вольт-амперная характеристика диода — это графическая зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения при прямом и обратном включении. Вид вольт-амперной характеристики (сокращенно ВАХ) определяется в основном свойствами р – n-перехода. На рис. 8.4 показана вольт-амперная характеристика выпрямительного диода. При включении диода в прямом направлении ВАХ имеет круто восходящий участок (ток по закону Ома меняется пропорционально напряжению). Чем больше этот ток, тем больше нагревается диод, поэтому для каждого диода существует предельный ток, который может быть длительно пропущен через диод, не вызывая его перегрева выше допустимой температуры. Это значение прямого тока является номинальным токомдиода.

При включении диода в обратном, т.е. в непроводящем, направлении через него протекает малый обратный ток (единицы или десятки микроампер). Этот ток мало изменяется при возрастании обратного напряжения. Однако при достижении обратным напряжением некоторого значения U_проб (напряжение пробоя) обратный ток резко возрастает. В этом случае происходит электрический пробой диода и обычный диод выходит из строя (в р – n-переходе прожигается отверстие). Но у лавинных диодов ток пробоя проходит по всей площади р – n-перехода, поэтому они пробоя «не боятся» и после снижения обратного напряжения свои свойства восстанавливают.

Лавинные диоды, предназначенные работать при обратном включении и напряжении пробоя для стабилизации напряжения при изменении тока на определенном участке цепи, называются стабилитроны.

Прим. Маркировка диодов.

Маркировка полупроводниковых диодов, рассчитанных на сравнительно небольшие токи (до 10 А) состоит из шести буквенных и цифровых элементов:

· первый элемент обозначает исходный материал: К или 2 – кремний; Г или 1 – германий; А или 3 — арсенид галлия.

· второй буквенный элемент обозначает тип прибора: Д – диоды выпрямительные; А – сверхвысокочастотные диоды; В – варикапы; И – туннельные диоды; С – стабилитроны; Л — светодиоды.

· третий, четвертый, пятый элементы – цифры, характеризующие некоторые электрические параметры прибора, в частности мощность рассеяния.

· шестой элемент – буква (от А до Я), обозначающая последовательность разработки.

Полупроводниковые диоды, рассчитанные на токи от 10 А до 2000 А и более часто называют силовыми неуправляемыми вентилями и маркируют буквой В (вентиль), после которой проставляется число, указывающее значение прямого номинального тока. В качестве силовых, в основном используют кремниевые диоды, которые делятся на группы, классы и подклассы.

 

Вместо понятия напряжения пробоя U_пр. обычно используют понятие U_заг.( напряжение загиба ВАХ), так как напряжение пробоя всегда чуть больше напряжения загиба. Напряжение загиба – это максимальное напряжение цепи, которое выдерживает вентиль не пробиваясь. Класс диода (вентиля) определяют по значению допустимого напряжения отношением . Допустимое напряжение – это максимальное напряжение цепи, в которую может быть поставлен данный вентиль. Т.е. для определения класса вентиля в значении допустимого напряжения мысленно убирают две последние цифры, тогда оставшееся число показывает класс вентиля. Класс вентиля показывает количество сотен Вольт допустимого напряжения.

Допустимое напряжение принимается для обычных диодов равным половине напряжения загиба, а для лавинных диодов 0.7 U_заг.

Пример. Если напряжение загиба обычного вентиля составляет 850 В, то допустимое напряжение – 425В, т.е. класс вентиля – 4.

Прим. по назначению диоды разделяются на следующие:

· выпрямительные диоды (как разновидность выпрямительных – силовые), которые предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (рис. 8.3, а). В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, допускающие большие выпрямительные токи;

· высокочастотные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в широком диапазоне частот, а также для детектирования. В качестве высокочастотных диодов применяют диоды точечной конструкции;

· импульсные диоды, которые применяют в схемах генерирования и усиления импульсов микросекундного и наносекундного диапазонов;

· туннельные диоды (рис. 8.3, в), применяемые в качестве усилителей и генераторов высокочастотных колебаний;

· светодиоды (рис. 8.3, е), которые используют в качестве световой индикации наличия тока и которые имеют разные цвета свечения;

· стабилитроны (рис. 8.3, б), предназначенные для стабилизации уровня напряжения при изменениях значения протекающего через них тока;

· варикапы (рис. 8.3, г) – полупроводниковые диоды, емкость которых можно изменять в широких пределах;

· фотодиоды (рис. 8.3, д), которые являются источниками тока, преобразующими световую энергию в электрическую, причем сила тока пропорциональна освещенности фотодиода.

Транзисторы