3.6.4. Напівпровідникові стабілітрони. Параметричні стабілізатори напруги

Напівпровідникові діоди, що працюють за зворотної напруги в режимі пробою і використо­вуються як джерело опорної напруги, називають напівпровідниковими стабілітронами. Вони є основним регулювальним елементом у стабілізаторах напруги для живлення радіоелектронних пристроїв. На їхніх ВАХ (рис. 3.12) є ділянка з високою крутістю, на якій напруга на діоді мало залежить від струму через діод.

У радіоелектронній апаратурі використовують стабілітрони загального призначення, прецизійні, імпульсні, двоанодні та стабістори.

Стабілітрони загального призначення використовують у схемах стабілізаторів джерел живлення, обмежувачів, фіксаторів рівня напруги тощо.

Прецизійні стабілітрони застосовують як джерело опорної напруги з високою точністю стабілізації та термокомпенсації рівня напруги. Імпульсні стабілітрони використовують для стабілізації постійної та імпульсної напруги й обмеження амплітуди імпульсів напруги малої тривалості, а двоанодні – у схемах стабілізаторів, обмежувачів напруги різної полярності, а також у схемах двостороннього обмеження напруги як опорний елемент з термокомпенсованою напругою і т. ін.

Стабістори призначені для стабілізації малих напруг (постійних, імпуль­сних). Їх використовують як термокомпенсуючі елементи для підтримки заданого рівня напруги в схемі під час зміни температури навколишнього середовища.

Принцип роботи більшості стабілітронів, за винятком стабісторів, ґрунтується на використанні електричного пробою в p-n‑переході при подачі зворотної напруги (розд. 2.10).

Якщо концентрація домішок в базі діода відносно мала, відбувається лавинний пробій. Це використовується для побудови висо­ковольтних стабілітронів з напругою стабілізації U_z > 6,3 В. Якщо концен­трація домішок висока, виникає тунельний пробій (в низьковольтних стабілітронах з U_z < 6,3 В).

Параметрами стабілітронів є: напруга стабілізації U_z – номінальне значен­ня напруги стабілітрона під час проходження струму стабілізації; струм стабілі­зації I_z – значення постійного струму через стабілітрон у режимі стабілізації (рис. 3.12); I_z min – мінімальний струм стабілізації, тобто значення струму на ді­лянці пробою ВАХ стабілітрона, зі зменшенням якого збільшується диференці­альний опір стабілітрона і пробій стає нестійким; I_z max – допустимий струм ста­білізації, що визначається допустимою потужністю розсіювання P_z max, за якої забезпечується гарантована надійність приладу під час тривалої його роботи; r_z = ∂U_z/∂I_z – диференціальний опір за заданого струму стабілізації; R_z = U_z/I_z – статичний опір при заданому струмі стабілізації; K_z = R_z/r_z – критерій якості стабілітрона; C_z – ємність стабілітрона або ємність між виводами стабілітрона при заданій напрузі.

Принципову електричну схему параметричного стабілізатора показано на рис. 3.13. До настання пробою зворотний струм дуже малий, але в режимі пробою p-n‑переходу, тобто в режимі стабілізації, він стає сумірним з прямим струмом. У точці А ( рис. 3.12), де пробій досить сталий, струм має значення 50...100 мкА. Після точки А струм стрімко зростає і максимально допустиме його значення I_z max обмежується лише мак­симально допустимою потужністю розсіювання P_z max:

I_z max = P_z max/U_z.

Напруга стабілітрона в робочому режимі мало залежить від струму, що є основою використання цих приладів. На робочій ділянці характеристики (від I_z min до I_z max) залежність напруги від струму характеризують диференціальним опором стабілітрона:

.

Диференціальний oпip становить декілька десятків i навіть оди­ниць омів. Аналіз ВАХ стабілітронів показує: чим менше диференціальний опір ( чим вища крутість зворотної гілки )

тим ефективніше відбувається стабілізація напруги в параметричних стабілізаторах.

Стабілітрони широко використовують для побудови параметричних стабілізаторів напруги (рис. 3.13)

Для побудови стабілізатора напруги стабілітрон вмикають паралельно навантаженню R_н. Послідовно із цими елементами вмикають обмежу­валь­ний (баластний) резистор R_об, oпip якого має бути значно більший, ніж диференціальний опір стабі­літрона r_z. Чим більше відношення R_об/r_z, тим краща стабілізація напруги. Такий стабілізатор називають параметричним (рис. 3.13).

Стабілізація напруги в радіоелектронних пристроях потрібна для збереження постійної напруги джерела живлення (U_н = сonst) у разі зміни напруги в електричній мережі або струму навантаження. У першому випадку змінюється напруга на виході випрямляча, тобто на вході стабілізатора (Е), у другому – збільшується або зменшується струм навантаження І_н.

Якщо напруга на вході стабілізатора Е під час роботи змінюється в обох напрямах відносно деякого значення U_z, то робочу точку С на ВАХ стабілітрона вибирають посередині робочої ділянки ( рис. 3.12), де струм стабілітрона І_z = 0,5І_z mах.

Напруги на вході та виході стабілізатора зв’язані рівняннями:

Е = U_z + І₀R_об = U_z + R_об(І_z + І_н);

U_н = U_z = E – І₀R_об. (3.8)

Розглянемо стабілізацію напруги у разі змiни напруги в електричній мережі.

Припустимо, що напруга на вході стабілізатора через нестабільність електричної мережі збільшилася на Е. Тоді починає зростати напруга на стабілітроні та навантаженні. Але навіть незначне збільшення U_z спричинить різке зростання струму стабілітрона І_z ( рис.3.12). Струм, який протікає через обмежувальний резистор R_об,

І₀ = І_z + І_н. (3.9)

Тому, як тільки почне збільшуватися струм стабілітрона, почне збільшуватися і струм через баластний резистор, що, в свою чергу, посилить спад напруги на цьому резисторі:

U_об = (І₀ + І_z) R_об. (3.10)

Автоматична система регулювання напруги на навантаженні (U_н = = U_вх – І₀R_об), робота якої ґрунтується на властивостях ВАХ стабілітрона, забезпечує майже однакові зміни І₀R_об    Е, а отже,

U_н = (Е + Е) – (І₀ + І_z)R_об сonst.

Таким чином, зі збільшенням напруги на вході E параметричний стабілізатор внаслідок особливості ВАХ стабілітрона ( U_z ≈ 0) автоматично збільшує спад напруги на баластному резисторі, що і компенсує (значною мipою) зміну Е. Зрештою напруга на виході, тобто на навантаженні, залишається майже незмінною. Аналогічно схема працює під час зменшення вхідної напруги. Сталість напруги на виході схеми забезпечується відповідно зміною струму стабілітрона. Парамет­ричний стабілізатор як схема автоматичного регуювання забезпечує необхідний коефіцієнт стабілізації тільки в заданих межах Е, які визначаються значеннями від І_z mах до І_z mіn.

Розглянемо стабілізацію напруги у разі зміни струму навантаження І_н.

Припустимо він збільшився. Toдi згідно iз співвідношенням (3.9) зросте струм І₀ і, як наслідок, збільшиться спад напруги на баластному резисторі U_об (див. формулу (3.8)). Напруга на стабілітроні почне зменшуватися, але це зра­зу викличе різке зменшення його струму. Якщо струм навантаження збільшиться на І_н, то майже на таке саме значення зменшиться струм стабілітрона І_z, а струм І₀ залишиться майже без змін; майже незмінною залишиться також напруга на виході стабілізатора.

Очевидно, що стабілізатор працюватиме в необхідному режимі доти, доки для компенсації зміни струму навантаження буде достатньою зміна струму стабілітрона – від І_z mах до І_z mіn.

Для засвоєння принципу побудови параметричних стабілізаторів, методики їх розрахунку та набуття навиків їх «монтажу» і налаштовування пропоную сформувати та дослідити в середовищі MS схему, яка подана на рис.3.14.

Рис.3.14. Принципова схема моделювання параметричного стабілізатора

В схемі використовується стабілітрон BZX85-C20 аналог стабілітрона КС 509В ( напруга пробою 20 В, струм 10 мА ). Дослідіть залежності вихідної напруги, струму стабілітрона та струму навантаження від напруги на вході при її зміні в межах від 10 до 30 вольт. Побудуйте графіки.

Для стабілізації малих напруг (близько 0,7 В) у параметричних стабілізаторах використовують стабістори. Це НД, які мають ділянку ВАХ з майже постійною напругою у разі прямого вмикання. Значення цієї напруги мало залежить від значення струму в деяких його межах. Для одер­жання стабільної напруги в межах 1 В послідовно з’єднують декілька стабісторів.