Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения на фиксированном уровне. Стабилизация - поддержание какого-то уровня или параметра неизмен­ным. Стабилитроны выполняют на кремниевых пласти­нах n типа, так как кремний обладает большей стабильностью при изменении температуры, кроме того, кремниевый стабилитрон обладает малым обратным током. Стаби­литроны заключают в герметизированные корпуса из металла, стекла, пластика или выполняют в бескор­пусном исполнении для использования в микромини­атюрных изделиях. Технология изготовления обычно диффузионно-сплавная или сплавная. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряже­ние практически не зависит от величины протекающего тока (рис. 6.10).

Рис. 6.10. ВАХ стабилитрон

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счет легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой. В качестве легирующей добавки акцепторной примеси обычно вы­ступает алюминий. В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение.

Стабилитроны функционируют при одном из видов пробоя - зенеровском, лавинном или смешанном. Вид пробоя зависит от удельного сопро­тивления базы. Зенеровский, или туннельный, пробой возникает при высокой напряженности поля в стаби­литронах с малым сопротивлением базы, а лавинный - при очень высокой напряженности поля, вследствие чего образуются новые носители заряда, при высоком сопротивлении базы. Зенеровский пробой возникает при напряжении на стабилитроне порядка единиц вольт, а лавинный — при напряжении порядка нескольких десятков вольт. Так как участок электрического пробоя на вольтамперной характеристике соответствует области обратного напряжения, стабилитрон включается обратным вклю­чением (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Схема включения стабилитрона

Резистор R_о задает ток через стабилитрон, т. е. такой ток, при котором выходное напряжение будет наиболее ста­бильным. Если номинальное значение тока стабилизации не оговорено в справочнике отдельно, его принимают равным среднему значению между минимальным I_ст.min и максимальным I_ст.max токами стабилизации.

Принцип действия параметрического стабилизатора. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на сопротивлении R_о уменьшаются, а напряжения на стабилитроне и нагрузке останутся постоянными, исходя из особенности вольтамперной ха­рактеристики стабилитрона. При увеличении входного на­пряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на R_о увеличиваются, а напряжение на нагрузке все равно остается постоян­ным и равно напряжению стабилизации. Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от минимального значения I_ст.min до максимальной величины I_ст.max.

Основные параметры стабилитронов:

номинальное напряжение стабилизации U_ст. У вы­пускаемых промышленностью стабилитронов всегда имеется разброс напряжения стабилизации, поэтому в справочниках указывают кроме номинального напряжения стабилизации еще и минимальное и максимальное или изменение напряжения стабили­зации (ΔU_ст);

минимальное, максимальное и номинальное зна­чение тока стабилизации (I_ст.min, I_ст.max, I_ст.ном) (рис. 6.12). Эксплуатировать стабилитроны при токе стабилизации меньше номинального не следует, так как в области пробоя будет велико дифференциаль­ное сопротивление;

Рис. 6.12. Токи стабилизации стабилитрона

максимальная рассеиваемая мощность, которую способен отдать в окружающее пространство ста­билитрон в долговременном режиме включения без разрушения кристалла;

дифференциальное сопротивление на участке стаби­лизации, характеризующее стабильность напряже­ния, прикладываемого к нагрузке, при изменении тока, протекающего через стабилитрон, можно найти по формуле

R_ст = ΔU_ст/ΔI_ст = ΔU_ст/( I_ст.max - I_ст.min),

где ΔU_ст - изменение напряжения на стабилитроне;

ΔI_ст - изменение тока через стабилитрон;

I_ст.max - максимальный, не разрушающий крис­талл ток через стабилитрон;

I_ст.min - минимальный ток через ста­билитрон, при котором возможна стабилизация;

температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации (рис. 6.13) - величина, отражающая изменение напряжения стабилизации при изменении температуры кристалла стабилитрона на 1 °С.

Рис. 6.13. Изменение U_ст стабилитрона под воздействием температуры

ТКН стабилитрона можно найти по формуле

α_ст = (ΔU_ст/ U_стΔt) (100%)

где ΔU_ст - изменение напряжения на стабилитроне; Δt - изменение температуры

p-n перехода прибора от максимума до минимума. Размерность ТКН стабилитрона приводят в процентах на градус Цельсия. У стабилитронов с зенеровским пробоем ТКН стаби­лизации отрицателен ввиду зависимости напряжения стабилизации от ширины запрещенной зоны, т. е. при понижении температуры напряжение стабилизации увеличивается. У стабилитронов с лавинным пробоем ТКН положителен, так как на напряжение стабилизации влияет подвижность носителей зарядов. Таким образом, при понижении температуры напряжение пробоя умень­шается. Для того чтобы скомпенсировать изменение на­пряжения стабилизации при флюктуации температуры применяют последовательное соединение стабилитрона с лавинным пробоем и диода с отрицательным ТКН.

Стабилитроны используют не только в стабилизаторах напряжения, но и как компоненты защиты от напряже­ния недопустимо большой амплитуды, в преобразова­тельных и генераторных устройствах для формирования импульсов, триггерах, фиксаторах уровня напряжения.