3.4. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в режиме управляемого лавинного пробоя. УГО стабилитрона приведено на рис. 3.5,а, его типичная ВАХ – на рис. 3.5,б. Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего получение необходимой ВАХ. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового, и ВАХ в этом случае имеет неустойчивый падающий участок.

При прямом напряжении на стабилитроне его ВАХ ничем не отличается от ВАХ обычного кремниевого полупроводникового диода, причем этот участок ВАХ обычно не используется. У стабилитронов используется участок ВАХ, соответствующий обратному напряжению на p-n-переходе. Обратный ток при некотором значении обратного напряжения, называемого пробивным, скачкообразно возрастает. Дальнейшее даже очень незначительное увеличение обратного напряжения приводит к резкому возрастанию обратного тока. В результате этого ветвь обратного тока ВАХ имеет излом и вслед за ним очень крутой линейный участок.

Основное применение кремниевых стабилитронов – стабилизация напряжения. Рассмотрим работу простейшего стабилизатора напряжения напримере схемы рис. 3.6. Схема стабилизатора, кроме собственно стабилитрона, содержит резистор R_д.

Для простоты рассмот­рим работу схемы приR_н =. Найдем напряжение на выходе схемы графи­ческим методом (см. рис. 3.7),если напряжение на входе цепи U_вх = U₁. Для нахождения решения проведем нагрузочную прямую из точкиU₁в точкуI₁=U₁/R_д. Точка пересечения нагру­зочной прямой и ВАХ стабилитрона (точкаА) является рабочей точкой и оп­ределяет ток в цепи и напряжения на элементах цепи. Из построения можно увидеть, что на­пряжение на ста­билитроне (а следовательно, и на выходе стаби­лизатора) в рабо­чей точке равноU_ст, а ток через стабилитрон (иR_д)I_д=I_ст. Если входное напря­жение по какой-то причине уменьшится и станет равнымU₂, то нагрузоч­ная прямая переместится параллельно самой себе и займет новое положение, проходя через токуU₂. Новое положение нагрузочной прямой определит и новую рабочую точкуВ. Из построения видно, что изменение входного на­пряжения цепи на=U₁ – U₂приводит к уменьшению тока через стабили­трон наiи уменьшению напряжения на стабилитроне наu. Это изменение тем меньше, чем круче ВАХ стабилитрона в области рабочей точки, т.е. чем меньше его дифференциальное сопротивление R_ст =  u /  i.Выполнив несколько подобных построений для различныхU_вх иR_д, можно убедиться, что uзави­сит также от величиныR_д. Производя геометрические построения, найдем

 u /  = R_ст / (R_д+ R_ст). (3.4)

Более подробно параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах рассматриваются в главе 24.

В справочной литературе не приводятся ВАХ стабилитронов, а приводится набор основных параметров. В этот набор обычно входят следующие параметры:

напряжение стабилизации(U_ст) – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации. Для различных стабилитронов это напряжение колеблется обычно в диапазоне от трех до двухсот вольт;

максимально допустимая мощность(P_макс), рассеиваемая на стабилитроне. Обычно (при отсутствии дополнительного теплоотвода) эта мощность составляет сотни милливатт, но при специальной конструкции корпуса и использовании радиатора может быть повышена до 520 ватт;

максимальный ток стабилизации–I_{ст макс}. Этот параметр полностью определяется двумя предыдущими.

;

минимальный ток стабилизации–I_{ст мин};

дифференциальное сопротивление(R_ст), которое определяется при заданном значении тока на участке пробоя. У различных стабилитронов значение этого параметра колеблется в пределах от единиц до сотен ом;

температурный коэффициент напряжения стабилизации(TKU) – относительное изменение напряжения стабилизацииU_стпри изменении температуры корпуса прибора на 1С.

Кроме обычных стабилитронов, промышленность выпускает так называемые двуханодные стабилитроны, представляющие собой два встречно включенных одинаковых стабилитрона. Такой стабилитрон можно включать в электрическую цепь в любом направлении или использовать для стабилизации и ограничения двухполярных напряжений. УГО такого стабилитрона показано на рис. 3.5,в.

Для уменьшения температурной зависимости напряжения стабилизации последовательно со стабилитроном включают дополнительный диод, так чтобы он препятствовал прохождению тока в прямом направлении и почти не изменял обратную ветвь ВАХ. Данные стабилитроны получили название прецизионных и выпускаются промышленностью в виде законченных компонентов, например 2С191 или КС211. У них дополнительно нормируется временная и температурная нестабильность напряжения стабилизации.

Для стабилизации низких напряжений разработаны и широко применяются специальные полупроводниковые диоды – стабисторы. Отличие их от стабилитронов в том, что они работают на прямой ветви ВАХ, т.е. при включении в прямом (проводящем) направлении. В качестве примера приведем параметры стабистора КС107А:

напряжение стабилизации 0,63 В при токе стабилизации 10 мА;

дифференциальное сопротивление 3 Ом при токе стабилизации 10 мА и температуре окружающей среды 25С;

минимальный ток стабилизации – 1 мА;

максимальный ток стабилизации – 100 мА;

максимальная рассеиваемая мощность – 125 мВт.