Лабораторная работа№ 4 Исследование стабилитронов и варисторов

Цель работы – исследование характеристик стабилитронов и варисторов.

4.1. Основные сведения о стабилитронах и варисторах

Стабилитрон (диод Зенера) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Если параллельно стабилитрону подключить нагрузку, то напряжение на ней тоже не будет изменяться. Материалы, используемые для созданияp–n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой из-за большой силы тока). На рис. 4.1 показана вольт-амперная характеристика стабилитрона, где– напряжение стабилизации;– ток стабилизации.

Стабилитрон характеризуется следующими основными параметрами: ми­нимальный и максимальный токи стабилизации, напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации, дифференциальное сопротивление, температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Варисторыпредставляют собой полупроводниковые резисторы, сопротивление которых начинает резко падать, если приложенное напряжение увеличивается сверх определенного значения. Вольт-амперная характеристика варистора (рис. 4.2) симметрична относительно начала осей координат. Варисторы изготавливают методами керамической технологии из карбида кремния или оксидов металлов. Уменьшение сопротивления с ростом напряжения связанос падением сопротивления контактов между зернами SiC или оксида. Это происходит вследствие нелинейного ростатокачерезp–n-пе­реходы, образующиеся на этих контактах, в результатеавтоэлектронной эмиссиииз острых участков зерен. Основными параметрами варисторов являются классификационное напряжение (), максимально допустимая выделяемая энергияWи средняя рассеиваемая мощность ().

Напряжение соответствует току через варистор, равному 1 мА. Варисторы всегда работают при напряжениях выше, так как основное применение варисторов – защита от кратковременных перенапряжений шунтирующим воздействием. Выделяемая в варистореWнормируется изготовителем для некоторой максимальной продолжительности перенапряжения. Теплоемкости структуры варистора оказывается достаточно, чтобы он не перегрелся от однократно выделенной энергииWза времяt. Энергия связана с мощностью следующим выражением:

(4.1)

где Р – аналитическое выражение зависимости мощности от времени;t– временной интервал, для которого ведется расчет энергии. Для прямоугольной формы функцииРформула (4.1) приводится к выражению

W=Pt.

При наличии повторяющихся импульсных перенапряжений разогрев структуры варистора происходит в результате выделения средней мощности:

где Р– зависимость мощности от времени; t– длительность импульса; Т – длительность периода;F – частота следования импульсов (F= 1/T).

Если импульсная выделяемая мощность () имеет прямоугольную форму, то для длительности импульса () средняя выделяемая мощность определяется как