А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

2.2.2 Параметры стабилитрона

Так как КС работает только на обратной ветви ВАХ, то его основные параметры относятся к непроводящему направлению:

1)напряжение стабилизации UСТ – падение напряжение на КС при протекании по нему тока IСТ СР (2.2), определяется как проекция т. Р на ось напряжений (рисунок 2.3);

2)минимальный ток стабилизации ICТ MIN – обратный ток КС, при котором наступает его лавинный пробой; определяется как проекция т. С на ось токов (рисунок 2.3);

31

3)максимальный ток стабилизации ICТ MАХ – обратный ток КС, при превышении которого лавинный пробой переходит в тепловой; определяется как проекция точки D на ось токов (рисунок 2.3);

4)дифференциальное сопротивление rT – сопротивление, определя-

емое на рабочем участке КС по выражению rT = UCT/ΔICT, где UCT и ICT – разность проекций двух точек рабочего участка (например, С' и D' на рисунке 2.3), соответственно на ось напряжений и токов; 5) температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН –

показывает, на сколько изменяется напряжение стабилизации в процентах от UСТ при изменении температуры на 1 °С

2.2.3 Схема включения стабилитрона для стабилизации изменяющегося напряжения

Работу КС как стабилизатора напряжения рассмотрим на примере схемы, которая приведена на рисунке 2.4. Она состоит из:

1) источника входного напряжения UВХ, величина которого изменяется в пределах от UВХ MIN до UВХ MAX;

2)ограничительного резистора с сопротивлением R0;

3)нагрузочного резистора с сопротивлением RН;

4)стабилитрона VD, который включен параллельно нагрузке в непроводящем направлении.

Рисунок 2.4 – Схема подключения стабилитрона к нагрузке

32

Согласно второму закону Кирхгофа, к нагрузке будет прикладываться напряжение

33

Допустим, что входное напряжение в схеме по рисунку 2.4 уменьшилось на величину UВХ MIN и стало равно

При этом уменьшится напряжение и на КС. Это приведет к смещению рабочей точки вверх по участку CD из т. Р в т. С' (рисунок 2.5). Ток по КС резко снижается до ICT MIN′ и, соответственно, уменьшается падение напряжения на R0 до

63 .*/ =3 *$5.*/ +*) .

Если сопротивление R0 рассчитано и выбрано правильно, то па-

дение напряжения на ограничительном резисторе уменьшится ровно на столько, насколько уменьшилось входное напряжения или

Тогда, согласно второму закону Кирхгофа и с учетом выражений (2.5) и (2.6), напряжение на нагрузке при уменьшении входного напряжения будет равно

UН = UВХ MIN – UR0 MIN = (UВХ СР – UВХ MIN) – (UR0 СР – UВХ MIN) =

= UВХ СР – UR0 СР .

Сравнивая последнее выражение с (2.4), можно сделать вывод, что при уменьшении входного напряжения на величину UВХ MIN напряжение на нагрузке осталось неизменным и равным UСТ .

Если ICТ MIN′ < ICT MIN , то рабочая точка КС перейдет на участок ОС (рисунок 2.5), и стабилизация нарушится.

При увеличении входного напряжения в схеме по рисунку 2.4 на величину UВХ MАХ напряжение на входе будет равно

При этом увеличивается напряжение и на КС. Это приведет к смещению рабочей точки вниз по участку CD из т. Р в т. D' (рисунок 2.5). Ток по КС резко возрастает до ICT MАХ′ и, соответственно, увеличивается падение напряжения на R0 до

63 ."9 =3 *$5."9 +*) .

Если сопротивление R0 рассчитано и выбрано правильно, то па-

дение напряжения на ограничительном резисторе увеличится ровно на столько, на сколько увеличилось входное напряжение, или

34

Тогда, согласно второму закону Кирхгофа и с учетом выражений (2.7) и (2.8), напряжение на нагрузке при увеличении входного напряжения будет равно

UН = UВХ MАХ – UR0 MАХ = (UВХ СР + UВХ MАХ) – (UR0 СР + UВХ MАХ) =

= UВХ СР – UR0 СР .

Сравнивая последнее выражение с (2.4), можно сделать вывод, что при увеличении входного напряжения на величину UВХ MАХ напряжение на нагрузке осталось неизменным и равным UСТ .

Если ICТ MАХ′ > ICT MАХ, то рабочая точка КС опустится ниже т. D (рисунок 2.5), произойдет тепловой пробой, и КС выйдет из строя.

Таким образом, несмотря на то, что в схеме по рисунку 2.4 входное напряжение изменяется в пределах от UВХ MIN до UВХ MAX, напряжение на нагрузке остается неизменным и равным напряжению стабилизации КС UСТ .

Это происходит потому, что в данной схеме стабилитрон и ограничительный резистор работают совместно. Стабилитрон изменяет ток, протекаемый по нему и ограничительному резистору, в широких пределах, поддерживая напряжение на своих выводах практически неизменным, а ограничительный резистор создает на себе падения напряжения, которые компенсируют изменения входного напряжения.

2.2.4 Расчет и проверка параметров схемы

Получим формулу для определения величины сопротивления ограничительного резистора. Для этого решим равенство (2.4) относительно R0

В этом выражении UВХ СР и ICT CP определяются соответственно по (2.1) и (2.2), а ток нагрузки IН можно найти как

*) =6) =6$5 .

3) 3)

35

После определения точного значения сопротивления R0 необходимо из стандартного ряда величин сопротивлений резисторов, выпускаемых промышленностью, выбрать ближайший к рассчитанному.

Для нормальной работы схемы необходимо определить мощность ограничительного резистора по формуле

PR0 = IR02R0 = (ICT MAX + IH)2R0 .

Полученное значение необходимо увеличить до ближайшей стандартной мощности резисторов, которые выпускаются промышленностью.

Расчет величины сопротивления ограничительного резистора производится по средним значениям UВХ СР и ICT CP и не учитывает диапазоны изменения этих величин. Поэтому необходимо проверить возможность стабилизации напряжения в заданном диапазоне изменения входного напряжения.

Так как все колебания напряжения гасятся на R0, то диапазон изменения входного напряжения не может превышать изменения падения напряжения на ограничительном резисторе при увеличении тока КС от IСТ MIN до ICТ MAX

При невыполнении этого условия рабочая точка КС выйдет за пределы рабочего участка СD (рисунок 2.5), и произойдет либо нарушение стабилизации, либо тепловой пробой КС. В данном случае необходимо ограничить величину колебания UBX или, если это не представляется возможным, выбрать другой стабилитрон с большим диапазоном изменения (ICТ MAX – ICТ MIN ).

2.2.5 Схемы включения стабилитронов

Схема по рисунку 2.4 применяется тогда, когда напряжение на нагрузке совпадает с напряжением стабилизации КС (UН = UСТ).

Иногда требуется получить на нагрузке напряжение, отличное от того, что дает один КС, а использовать другой КС с UН = UСТ нет возможности (не выполняется условие (2.10), нет в наличии, не выпускаются промышленностью).

Для получения напряжения на нагрузке большего, чем дает один КС (UН>UСТ), применяют последовательное соединение КС (рисунок 2.6).

36

Рисунок 2.6 – Схема получения более высокого напряжения на нагрузке, чем дает один стабилитрон

Очевидно, что необходимое число последовательно включенных КС будет равно

4 = 6) .

6$5

Полученное число S необходимо округлить до целого большего. Для расчета ограничительного сопротивления подставим последнее выражение в (2.9) и получим

3=6#9 $1 −6$5 4.

*$5$1 +*)

Для получения напряжения на нагрузке меньшего, чем дает один КС (UН<UСТ), последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор RД (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 – Схема для получения пониженного напряжения на нагрузке

37

Чтобы определить величину добавочного резистора, составим для правого контура схемы (рисунок 2.7) уравнение по второму закону Кирхгофа и выразим из него RД

UСТ = UД + UН = IH RД+ UН ,

3 =6$5 −6) .

*)

2.3 Симметричные ограничители напряжения (ОНС)

Ограничитель напряжения симметричный – это полупроводниковый прибор, имеющий p–n–p структуру (рисунок 2.8, а), предназначен для защиты от перенапряжения электрических аппаратов (силового оборудования, элементов радиоэлектронной аппаратуры). Кроме этого ОНС используются также для выравнивания и распределения обратных напряжений при последовательном соединении мощных полупроводниковых диодов и тиристоров.

ОНС можно представить в виде двух встречно включенных лавинных диодов или стабилитронов. Их ВАХ представляет собой сочетание двух обратных ветвей лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат (рисунок 2.8, б).

Преимуществом ОНС является очень маленькое время срабатывания – пико– (10–12) или нано– (10–9) секунд, а недостатком – невозможность использования в высоковольтных сетях из-за невысоких значений напряжений и разрядных токов.

Конструктивно ОНС выпускаются в штыревом и таблеточном корпусах.

Основными параметрами ОНС являются (рисунок 2.8, б):

1)повторяющееся импульсное напряжение в прямом (UDRM) и обратном (URRM) направлениях (иногда их называют номинальными напряжениями UH);

2)повторяющиеся импульсные токи в прямом (IDRM) и обратном (IRRM) направлениях (иногда их называют токами утечки IУ);

3)напряжение лавинообразования – U(BR);

4)максимально допустимая энергия лавинообразования – АН;

5)температурный коэффициент лавинообразования – β и другие.

38

Условное графическое и буквенное обозначение ОНС приведено на рисунке 2.8, в. В некоторой литературе их обозначают как VD (полупроводниковый прибор), а в некоторой – FV (разрядное устройство).

2.4Вопросы для самоконтроля

1.Конструктивные особенности, структура и условные обозначения ЛД.

2.Лавинный и тепловой пробой в ЛД.

3.ВАХ ЛД.

4.Предельно допустимые значения ЛД в обратном направлении.

5.Основные преимущества и недостатки ЛД.

6.Стабилитрон, конструктивное выполнение и отличие от обычного диода.

7.ВАХ КС.

8.Основные параметры стабилитрона.

39

9.Схема стабилизации напряжения при помощи КС.

10.Работа схемы стабилизации при среднем входном напряжении.

11.Работа схемы стабилизации при уменьшении входного напряжения.

12.Работа схемы стабилизации при увеличении входного напряжения.

13.Назначение ограничительного сопротивления и КС в схеме.

14.Порядок выбора R0.

15.Порядок проверки R0.

16.Схема получения более высокого напряжения на нагрузке.

17.Схема получения пониженного напряжения на нагрузке.

18.ОНС. Назначение, структура, условное обозначение.

19.ВАХ, основные преимущества и недостатки ОНС.

20.Основные параметры ОНС.

40