2.2.5. Кремниевые стабилитроны

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области обратимого пробоя практически не зависит от протекающего тока. Подобное свойство позволяет использовать стабилитроны в разнообразных схемах стабилизации напряжения.

Стабилитроны - приборы, работающие в режиме обратимого лавинного или туннельного пробоя. Условное графическое изображение стабилитрона показано на рис. 2.10, а.

Рабочим участком стабилитрона является участок на обратной ветви вольтамперной характеристики (рис. 2.11) в области напряжений, соответствующих обратимому пробою. Очевидно, что при некоторых значениях обратного напряжения (минимальное напряжение пробоя), ток прибора, ранее незначительный, начинает возрастать – наступает пробой p-n-перехода. Указанное значение напряжения пробоя прибора называется напряжением стабилизации U_ст прибора. По мере увеличения тока, протекающего через стабилитрон, напряжение на стабилитроне практически не увеличивается (так можно сказать, поскольку по мере увеличения тока через стабилитрон напряжение на нем возрастает, например, на U_ст < 0,1 В при U_ст = 10 В).

а) б)

Рис. 2.10. УГО стабилитрона (а, б) и зависимость ТКН от напряжения стабилизации (б)

Величина напряжения стабилизации U_ст конкретного стабилитрона зависит от температуры прибора. На рис. 2.11 пунктирными линиями показано смещение характеристик U_ст(Т) при увеличении температуры: напряжение стабилизации U_ст может незначительно уменьшаться или возрастать. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН определяется выражением

ТКН = (1/U_ст)U_cт/T, %/К. (2.9)

Иногда ТКН оценивают по выражению [38]:

ТКН = U_cт/T, мВ/К. (2.10)

Значение ТКН может быть как положительным (ТКН > 0), так и отрицательным (ТКН < 0). Знак ТКН зависит от ряда факторов, прежде всего, от характера (вида) пробоя (рис. 2.10, б).

Рис. 2.11. УГО стабилитрона (а) и его ВАХ и ТКН (б)

У стабилитронов с туннельным характером пробоя, который происходит в узких p-n-переходах (при напряженности внутреннего электрического поля Е_вн > 1,410⁶ В/м), знак ТКН < 0  отрицательный (рис. 2.10, б). Для этих приборов характерным является напряжение стабилизации до 5 В.

Наиболее распространены стабилитроны на основе широкого р-n-перехода с меньшей внутренней напряженностью поля (Е_вн < 510⁴ В/м), для которых характерно развитие лавинного характера пробоя. Для подобных приборов обычным является напряжение стабилизации U_ст > 5 В, при этом знак ТКН > 0  положительный (рис. 2.10, б; 2.11).

При напряжении стабилизации стабилитрона в пределах 5…6 В, в p-n-переходе одновременно существуют оба вида пробоя (смешанный тип пробоя), поэтому его ТКН не только близок к нулю (рис. 2.10, б; 2.11), но может иметь незначительное отрицательное или положительное значение.

К основным параметрам стабилитронов (рис. 2.10-2.12), приводимых в справочниках, относятся:

 напряжение стабилизации U_ст;

 минимальный I_{ст min} и максимальный I_{ст max} токи стабилизации;

 дифференциальное сопротивление стабилитрона r_д = ∆U_ст/∆I_ст;

 температурный коэффициент напряжения стабилизации;

 максимально допустимая мощность рассеяния Р_рас = U_стI_ст.

Дифференциальное сопротивление r_д характеризует качество прибора на участке стабилизации, т.е. степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации. Зависимость сопротивления r(U) во всем диапазоне напряжений показана пунктиром (рис. 2.12, а).

Схема замещения реального стабилитрона представляется следующим образом (рис. 2.12, б): VD1_и и VD2_и  идеальные встречно включенные диоды; U_ст  источник напряжения, равный напряжению стабилизации; r_д1, r_д2, r_д3  дифференциальные сопротивления на различных (условно линейных) участках ВАХ: рабочем (область 1-2), до пробоя (область 0-1) и при прямом включении (область 0-3), соответственно. При этом необходимо заметить, что, несмотря на то, что рабочее включение стабилитрона соответствует обратному включению (на катод (n-область) подается +, а на анод: ), при анализе схемы замещения левая ветвь схемы (рис. 2.12, б) соответствует работе прибора при обратном напряжении в рабочем режиме, средняя - на участке до начала стабилизации U_ст > U > 0, правая – при прямом смещении.

а) б)

Рис. 2.12. Линеаризованная ВАХ стабилитрона (а) и схема его замещения (б)

Полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации напряжения используют относительно постоянное значение прямого падения напряжения U_ст = U_а на диоде, называют стабисторами (рис. 2.11). В области прямого смещения p-n-перехода напряжение U_а составляет 0,7…2 В (на различных стабисторах) и мало зависит от тока. Поэтому стабисторы применяют только для стабилизации малых напряжений (до 2 В). Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона с той лишь разницей, что рабочий участок находится на прямой ветви вольтамперной характеристики стабистора.

Принципиальные схемы простейших параметрических стабилизаторов напряжения показаны на рис. 2.13.

а) б)

Рис. 2.13. Простейшие схемы параметрических стабилизаторов на основе стабилитрона (а), стабистора (б)

Нагрузка R_н подключается параллельно стабилитрону (стабистору), поэтому напряжение на нагрузке U_н равно напряжению на стабилитроне U_ст, что служит гарантией относительно постоянного напряжения на нагрузке при изменяющемся напряжении U_вх на входе схемы. Ток I_вх, потребляемый от источника напряжением U_вх, равен сумме токов стабилитрона (стабистора) I_cт и нагрузки I_н (I_вх = I_cт + I_н). Если ток стабилитрона (стабистора) I_cт не выходит за пределы рабочего участка I_{ст min}…I_{ст max} (рис. 2.12), то напряжение на нагрузке U_н, равное U_ст, меняется незначительно при значительных изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Разность напряжений U_вх и стабилитрона (стабистора) U_ст падает на балластном сопротивлении R_б, т.е.

U_ст = U_вх  U_б = U_вх  I_вхR_б. (2.11)

Условное обозначение стабилитрона (стабистора) включает следующие элементы: материал полупроводника (К  кремний); обозначение подкласса (буква С); цифру, указывающую на мощность; две цифры, указывающие напряжение стабилизации, и букву, характеризующую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А (в металлическом корпусе) соответствует маломощному стабилитрону с током стабилизации менее 0,3 А и напряжением стабилизации 6,8 В.