Лабораторно-практическая работа № 2 по предмету «Основы промышленной электроники» Тема: «Расчёт параметров кремниевого стабилитрона»

Цель:

• 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.

1. 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…».

1.2. Оформление отчета.

Отчет оформляется индивидуально каждым учащимся в отдельных тетрадях. Отчет по каждой работе должен включать следующие материалы согласно пунктам раздела «Порядок выполнения…».

1.3. 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 защиты работы.

Выполненные в полном объеме лабораторно-практические работы являются допуском к зачету (экзамену). Учащиеся, не защитившие всех лабораторно-практических работ, к зачету не допускаются.

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. 2.1).

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 корпус.

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.

Основные параметры стабилитрона Основные параметры кремниевых стабилитронов. Напряжение стабилизации   – значение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации  . Этим значениям соответствует рабочая точка   на обратной ветви ВАХ. Минимальный ток стабилизации   – ток, при котором возникает устойчивый лавинный пробой и обеспечивается заданная надежность работы. Этому значению тока соответствует точка   на рис. 2.2.

 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.

 

Таблица 2.1

Основные параметры стабилитрона Д814Д

, В	мА	мВт			, Ом	, %/°С
							мА	мА
13	5	340	11,5	14	18	9,5	3	24

 

1. Для данного стабилитрона построить вольт-амперную характеристику (при обратном подключении).

2. Графическим методом вычислить U_cт. при значениях I _cт.=3,8,15,20 мА.

I _cт.= 3 мА, U_cт.=11,5*10(-3)

I _cт.= 8 мА, U_cт.=11,9*10(-3)

I _cт.=15 мА, U_cт.=12,2*10(-3)

I _cт.=20 мА, U_cт.=12,4*10(-3)

Маркировка стабилитронов

Современная маркировка кремниевых стабилитронов состоит из нескольких позиций. Первая буква   в обозначении указывает на исходный материал (кремний), из которого изготовлен стабилитрон. Вторая буква   указывает на тип полупроводникового прибора – стабилитрон. Следующие три цифры маркировки косвенно указывают величину напряжения стабилизации  . Последняя бука указывает на принадлежность стабилитрона к группе. В качестве примера в табл. 2.2 приведены маркировки и параметры соответствующих стабилитронов, которые получили наибольшее распространение в схемах питания  интегральных микросхем.

Таблица 2.2

Маркировки и параметры стабилитронов

Тип	, мА	, мА	, В	, Вт
КС147А КС156А КС447А КС456А	3 3 3 3	58 55 159 139	4,2…5,2 5,0…6,2 4,0…5,3 4,8…6,2	0,3 0,3 1,0 1,0

 

Как следует из таблицы, средние значения напряжения стабилизации стабилитронов   соответствуют двум последним цифрам их маркировки.

Кроме указанного способа обозначений, используются и другие способы маркировки стабилитронов, например, Д814Д .

 

Стабилитроны обладают характеристиками нелинейного сопротивления. Ток через эти элементы может меняться в больших пределах, при неизменном падении напряжении на них. Стабилитроны обладают данным свойством благодаря лавинному пробою p-n перехода, на который подано запирающее напряжение. В этом режиме незначительное увеличение напряжения, приложенного к p-n переходу, вызывает рост генерации носителей заряда и увеличение обратного тока через стабилитрон.

Рис. 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Н а рисунке 1 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) стабилитрона. Рабочий участок ВАХ соответствует интервалу I, где напряжение стабилизации U_СТ изменяется незначительно на величину U_. Качество стабилизации характеризуется дифференциальным сопротивлением:

Значение U_СТ у различных типов стабилитронов составляет от 3В до 180В, величина R_Д для низковольтных стабилитронов: от 1 до 30 Ом, а для высоковольтных: от 18 до 300 Ом.

На рис.2 представлена схема простейшего стабилизатора напряжения. Расчет этой схемы сводится к определению величины балластного сопротивления R_Б, при котором ток через стабилитрон будет не меньше I_СТ.MIN, когда утрачиваются стабилизирующие свойства, и не более I_СТ.MAX, что грозит тепловым пробоем стабилитрона.

Рис. 2 Схема стабилизатора напряжения

Величину сопротивления R_Б можно определить из уравнения:

Напряжение U_СТ зависит от температуры, что характеризует температурный коэффициент напряжения (ТКН). Этот параметр определяет изменение напряжения в процентах при изменении температуры окружающей среды на 1⁰С и может быть положительным или отрицательным.

Прямая ветвь ВАХ, показанная на рис.1, у некоторых стабилитронов отсутствует и их сопротивление в этом режиме велико. Кроме стабилитронов также используются стабисторы. Их назначение – стабилизация малых напряжений, порядка от 1 до 3В. Эти приборы работают на прямой ветви ВАХ диода.