Полупроводниковые стабилитроны

Назначение.

Полупроводниковые стабилитроны называют иногда опорными диодами. Назначение стабилитрона – стабилизировать напряжение на присоединенной параллельно ему нагрузке в случае изменения ее сопротивления или напряжения источника питания. Полупроводниковый стабилитрон представляет собой плоскостной диод, выполненный из сильно легированного кремния. Для работы стабилитрона используется участок пробоя на обратной ветви ВАХ, в пределах которого большие изменения обратного тока через стабилитрон вызывают малые изменения напряжения.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельныйпробой. У стабилитронов со сравнительно высокоомной базой пробой носитлавинный характер. Материалы, используемые для созданияр-n– перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля вр-n– переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях вр-n– переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

Вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 10а.

В рабочей области ВАХ стабилитрона можно аппроксимировать выражением:

Коэффициенты ихарактеризуют форму кривой в области стабилизации. Характеристика реального стабилитрона приведена на рис.10в. Заштрихованная область определяет возможный разброс напряжений стабилизации.

Вначале лавинный процесс неустойчив. Поэтому интервал рабочих токов стабилитрона выбирают от I_min, определяемого необходимой устойчивостью работы, доI_max­, определяемого максимально допустимой мощностью рассеивания. Стабилитрон подсоединяют параллельно нагрузке. Последовательно со стабилитроном включают резистор(рис.10б).

Основные параметры.

1. Напряжение стабилизации - падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – десятки вольт).

2. Максимальный ток стабилизации (несколько мА – несколько А).

3. Минимальный ток стабилизации (доли – десятки мА).

4. Дифференциальное сопротивление r_диф в рабочей точке, которое определяется при заданном значении тока на участке пробоя каки характеризует степень стабилизации (доли Ом – тысячи Ом).

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации - относительное изменение напряжения стабилизациипри изменении температуры окружающей среды на, (- тысячные доли процента).

6. Статистическое сопротивление в рабочей точке .

7. Коэффициент качества .

Дифференциальное сопротивление при увеличении тока стабилизации уменьшается на 10-20 %. Это объясняется тем, что при увеличении приложенного напряжения увеличивается площадь участков, на которых произошел пробой. При токе, близком к номинальному, его сопротивление близко к значению собственного сопротивления базы.

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей. Поэтому в стабилитроне инерционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей, при переходе из области пробоя в область запирания и обратно практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей. При увеличении напряжения питания увеличивается ток в цепи, а падение напряжения на стабилитроне и на нагрузке остается неизменным. При увеличении тока через стабилитрон возрастает падение напряжения на резисторе R, а выходное напряжение остается неизменным за счет своеобразной характеристики обратной ветви стабилитрона.

Параметры цепи стабилизации выбирают так, чтобы удовлетворять следующие очевидные неравенства:

где и- максимальное и минимальное напряжения источника питания,и- максимальный и минимальный ток нагрузок, которые будут соответственно прии. Если эти неравенства не удовлетворяются, то реализовать параметрический стабилизатор напряжения, имеющий заданные параметры, нельзя и необходимо применять более сложные технические решения.

Для уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации последовательно со стабилитроном включают дополнительный диод. Такой компенсированный стабилитрон практически не изменяет параметры напряжения, полярность которого противоположна стабилизируемому, что удобно при построении ряда устройств. Данные стабилитроны получили название прецизионных и выпускаются промышленностью в виде законченных компонентов. В них дополнительно нормируются временная нестабильность напряжения стабилизации (тысячные доли % - доли %) и время выхода на режим, при котором обеспечивается заданная временная нестабильность (десятки минут).

В прецизионных стабилизаторах напряжения вместо резистора R устанавливают стабилизатор тока. Он необходим потому, что при изменении тока через стабилитрон на величинупадение напряжения на нем меняется на. Поэтому чем меньше, тем точнее будет поддерживаться требуемое значение напряжения.

При необходимости обеспечить стабилизацию двухполярных напряжений стабилитроны включают последовательно, а прецизионные (с дополнительными компенсирующими диодами) – параллельно.