7.1.3. Полупроводниковый стабилитрон

Для целей стабилизации напряжения на нагрузке при значительных изменениях напряжения источника используются различные схемы стабилизации. Одним из элементов, на которых строятся стабилизаторы напряжения, является стабилитрон. Это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольт-амперная характеристика которого подобна характеристике диода, но рабочим участком его является участок пробоя при обратном приложенном к стабилитрону напряжении.

При подключении стабилитрона к обратному напряжению, величина которого называется напряжением пробоя, в p-n переходе происходит лавинообразное размножение неосновных носителей зарядов с резким возрастанием обратного тока при весьма малом приращении напряжения. Вольт- амперная характеристика в этом интервале имеет  вид  прямой линии, почти параллельной оси тока. На рис. 7.4 показано условное изображение стабилитрона и его вольт-амперная характеристика. На характеристике имеется участок, где напряжение почти не зависит от величины протекающего тока. При этом ток электрического пробоя изменяется в широком диапазоне от I_cmin до I_cmax, не переходя в тепловой пробой. Таким образом, нормальным режимом работы стабилитрона является работа при обратном  напряжении U_ст, соответствующем  лавинному  пробою p-n перехода.

а) б)

Рис. 7.4. Изображение на схемах (а) и

вольт-амперная характеристика (б) стабилитрона

Дифференциальное сопротивление R_Д стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной характеристики (от I_cmin до I_cmax ) мало, поскольку характеристика практически параллельна оси тока. Схема замещения стабилитрона такая же, как и диода (рис. 7.3,а). Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона  практически не отличается от прямой ветви характеристики любого диода.

Рассмотрим схему стабилизации напряжения на нагрузке в виде активного сопротивления R_н (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Схема стабилизатора напряжения

При уменьшении напряжения источника E ток через стабилитрон VD и падение напряжения на сопротивлении R₀ также уменьшаются, но напряжения на стабилитроне U_ст и на нагрузке U_н остаются постоянными, исходя из вольт-амперной характеристики стабилитрона. При увеличении напряжения источника ток через стабилитрон и увеличивается, а напряжение на нагрузке также остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации. Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от I_cmin до I_cmax. Превышение тока выше максимального значения может привести к тепловому пробою и выходу стабилитрона из строя.

Параметром, характеризующим качество стабилизатора, является коэффициент стабилизации, который равен отношению относительного изменения входного напряжения ∆Е к относительному изменению выходного напряжения ∆U_н :

где E_N и U_N − номинальные значения напряжения источника и напряжения нагрузки соответственно.

Если сопротивление нагрузки R_н значительно больше сопротивления R₀,то коэффициент стабилизации можно найти по выражению

(7.1)

где R_Д – дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке стабилизации.

Коэффициент стабилизации, рассчитанный по выражению (7.1), соответствует режиму холостого хода стабилизатора (R_н=∞).

Очевидно, что чем меньше дифференциальное сопротивление R_Д на участке стабилизации, тем больше величина k_ст .

Основными параметрами стабилитрона являются:

− напряжение стабилизации U_ст , представляющее собой падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока;

− минимальный ток стабилизации I_cmin , при котором возникает устойчивый пробой;

− максимальный ток стабилитрона I_cmax , при котором мощность, рассеиваемая стабилитроном, не превышает допустимого значения;

− величина дифференциального сопротивления R_Д на участке стабилизации.