10.4. Стабилитроны

 

          Напряжение на диоде в области электрического пробоя слабо зависит от протекающего через диод обратного тока. Эта особенность может быть использована для стабилизации напряжения. Полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения на основе эффекта слабой зависимости напряжения от тока в области электрического пробоя, называют стабилитронами.

          Одним из параметров стабилитрона является напряжение стабилизации U_ст, т.е. напряжение на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации. Током стабилизации называется значение обратного тока диода в режиме электрического пробоя, ограниченное значениями I_ст.мин. и I_{ст.макс.} (рис.10.4). Первое из этих предельных значений, I_ст.мин, т.е. минимальное значение тока стабилизации, при котором обеспечивается заданная надежность, определяется условиями наступления и развития электрического пробоя. Второе значение - I_{ст.макс}, определяется значением максимально допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона  Р_макс.

          Промышленность выпускает стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 200 В. Поскольку напряжение пробоя определяется шириной p-n перехода, а последняя связана с концентрацией примесей в базе диода, низкие значения U_ст (7В) характерны для узких p-n переходов, в которых определяющую роль играет туннельный пробой. Более высокие значения U_ст характерны для широких p-n переходов, в которых определяющую роль играет лавинный пробой.

          При необходимости стабилизировать высокие напряжения применяется последовательное соединение стабилитронов.

Напряжение  стабилизации зависит от температуры (рис.10.4), причем по-разному для стабилитронов с туннельным и лавинным пробоями.

Напряжение лавинного пробоя обратно пропорционально квадрату длины свободного пробега СНЗ. Так как при сравнительно малой концентрации примесей в базе диода (что характерно для лавинных стабилитронов) рассеяние СНЗ происходит главным образом на тепловых флуктуациях плотности атомов основного вещества, то с ростом температуры длина свободного пробега будет уменьшаться. Соответственно, напряжение стабилизации с ростом температуры возрастает.

В стабилитронах с туннельным пробоем одним из определяющих факторов развития пробоя является, согласно (10.15), высота потенциального барьера, т.е. ширина запрещенной зоны. Поскольку ширина запрещенной зоны германия и кремния уменьшается с ростом температуры, то соответственно уменьшается напряжение стабилизации.

Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН) _ст. ТКН определяется как частное от деления относительного изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его изменению температуры

 

                                                                               (10.21)

 

и выражается, чаще всего, в %/⁰С. Использование в качестве стабилитронов систем из встречновключенных p-n переходов с ТКН противоположных знаков, позволяет снизить  результирующий ТКН до очень малых значений (тысячные доли процента на ⁰С).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          Стабилизирующие свойства стабилитронов характеризуются так называемым коэффициентом качества Q_ст, который определяется как отношение дифференциального сопротивления стабилитрона r_ст к его статическому сопротивлению R_стат.

 

                                               

 

Коэффициент качества можно рассматривать как отношение относительного изменения напряжения стабилизации к относительному изменению тока стабилизации. Действительно,

 

                  

         

Стабилизирующие свойства тем лучше, чем меньше значение Q_ст. Численное значение дифференциального сопротивления стабилитронов различных типов лежит в пределах от нескольких Ом, до нескольких десятков Ом. Значения статического сопротивления заключены, соответственно, в пределах от одного, до нескольких десятков кОм. Таким образом, коэффициент качества имеет величину порядка 10^-3…10^-2.

          Кроме параметров, отмеченных выше, для стабилитронов существенны еще следующие параметры:

     Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{обр.макс};

     Максимально допустимое импульсное обратное напряжение U_{обр(и)макс};

     Максимально допустимый импульсный ток стабилизации I_{ст(и)макс};

     Полная емкость стабилитрона С и эквивалентная индуктивность L;

     Временная нестабильность напряжения стабилизации U_ст за заданный промежуток времени;

     Максимально допустимая импульсная мощность стабилитрона Р_и.макс, которая определяется при заданных скважности и длительности импульса;

     Спектральная плотность шума стабилитрона s_ш.ст, определяемая как эффективное значение напряжения шума, отнесенное к полосе 1 Гц в оговоренном диапазоне частот при заданном токе стабилизации.

По конструкции и технологии изготовления стабилитроны подобны выпрямительным диодам и могут использоваться вместо последних.

          На рис. 10.5 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения.

          Сопротивление балластного резистора R_бал подбирается таким образом, чтобы при заданном номинальном значении входного напряжения U_вх, ток стабилизации диода примерно равнялся среднему значению между I_ст.мин и I_{ст.макс}. Обозначив это значение тока стабилизации как I_ст.0, на основании правил Кирхгофа, получим:

 

    (10.22)

 

Где U_вх.0 - номинальное напряжение входного напряжения, U_ст.0 - напряжение стабилизации при токе стабилизации I_ст.0, R_стат.0 - статическое  сопротивление стабилитрона при том же токе.

Отклонение входного напряжения от номинального напряжения на величину ΔU_вх, вызовет изменение тока стабилизации на величину ΔI_ст и напряжения стабилизации на величину ΔU_ст. В режиме медленно изменяющегося напряжения, стабилитрон может быть представлен резистором с сопротивлением равным дифференциальному сопротивлению стабилитрона r_ст, так как влиянием емкости в этом случае можно пренебречь. Тогда, на основании тех же правил Кирхгофа, получим:

 

            (10.23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

Учитывая, что обычно R_н >> r_ст и R_н >> r, получим приближенное равенство:

 

                                                                 (10.24)

 

Коэффициентом стабилизации К_ст называют величину, равную частному от деления относительного изменения входного напряжения на относительное изменение выходного напряжения, т.е. напряжения стабилизации. Учитывая (10.22) и (10.24), найдем

 

                       (10.25)

 

          Коэффициент стабилизации возрастает с ростом сопротивления нагрузки, ростом входного напряжения и в предельном случае равен обратному значению коэффициента качества стабилитрона. Увеличение входного напряжения приводит к увеличению потерь мощности источника питания на балластном сопротивлении, поэтому входное напряжение выбирают так, чтобы оно превышало U_ст не более чем в два, три раза.

          Малая величина коэффициента стабилизации при малом значении сопротивления нагрузки и сильная его зависимость от сопротивления нагрузки являются причиной того, что описанные стабилизаторы используются преимущественно как датчики высокостабильного опорного напряжения, работающие на высокоомную нагрузку в более сложных транзисторных стабилизаторах напряжения.