Лабораторная работа №2. Стабилитрон

Цель лабораторной работы:

• закрепление теоретических знаний по принципу действия, характеристикам и параметрам стабилитрона, и использованию стабилитронов в параметрических стабилизаторах напряжения.

Задачи лабораторной работы:

• получение экспериментальных данных, построение и исследование вольтамперной характеристики стабилитрона;

• исследование процессов в схеме параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на основе стабилитрона.

Краткие теоретические сведения

Стабилитрон – это полупроводниковый прибор, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Стабилитрон – это кремниевый диод с большим содержанием примесей.

Стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения. В стабилитронах при относительно небольших обратных напряжениях развивается электрический пробой (лавинный или туннельный). В этом случае изменение тока через стабилитрон происходит при почти неизменном напряжении. Если ограничить обратный ток через стабилитрон на уровне , где – максимально допустимый обратный ток через стабилитрон, то тепловой пробой не наступает и стабилитрон может работать в режиме электрического пробоя неограниченное время. На рис. 2.1.1 приведено условное графическое обозначение стабилитрона на схемах электрических принципиальных.

Рис. 2.1.1

Основные параметры стабилитрона:

1. – напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при некотором постоянном обратном токе. = 3÷100В (см. рис. 2.1.2);

2. – минимальный ток через стабилитрон. При минимальном токе начинается устойчивый электрический пробой;

–максимальный ток через стабилитрон. При максимальном токе гарантировано не наступает тепловой пробой;

3. Дифференциальное сопротивление стабилитрона: . Дифференциальное сопротивление определяется для рабочего участка ВАХ стабилитрона (участка между и ) и составляет 0,5÷200 Ом;

Рис. 2.1.2

Дифференциальное сопротивление – это параметр, характеризующий

наклон рабочего участка его ВАХ. Для выбранного участка ВАХ можно определить динамическое сопротивление: Rдин. = . Дифференциальное сопротивление стабилитрона зависит от тока, проходящего через стабилитрон. Примерный вид зависимости приведен на рис. 2.1.3.

Рис 2.1.3

Температурный коэффициент напряжения стабилизации:

%; где - относительное приращение напряжения стабилизации. ТКН численно равен относительному приращению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 градус (Кельвина или Цельсия). ТКН может быть как положительным, так и отрицательным и зависит от напряжения стабилизации. Примерный вид зависимости ТКН от напряжения стабилизации приведен на рис. 2.1.4.

Рис. 2.1.4

Уменьшить температурную зависимость напряжения стабилизации можно за счет последовательного включения стабилитрона и диода или двух стабилитронов, имеющих близкие по абсолютному значению, но противоположные по знаку ТКН. Также выполняют прецизионные стабилитроны, где температурная компенсация (уменьшение ТКН) достигается за счет выполнения на одном кристалле полупроводника двух (и более) p-n-переходов с равными, но противоположными по знаку ТКН.

Двустороннюю стабилизацию напряжения можно выполнить за счет встречного включения двух стабилитронов.

Параметрический стабилизатор напряжения

С хема параметрического стабилизатора напряжения на основе стабилитрона приведена на рис.2.2.1. Параметрический стабилизатор напряжения состоит из балластного резистора и стабилитрона . На схеме (2.2.1) также показаны источник ЭДС Е, питающий схему и сопротивление нагрузки . Параметрический стабилизатор напряжения предназначен для обеспечения стабильного напряжения на нагрузке при воздействии дестабилизирующих факторов, к которым относят изменение величины ЭДС источника и величины сопротивления нагрузки.

Для левого контура схемы (рис.2.2.1) можно записать:

, (1)

а верхнего узла:

, (2)

(В схеме рис.2.2.1 положительное направление тока через стабилитрон выбрано противоположным прямому току через диод Рис. 2.2.1

или стабилитрон. Поэтому при увеличении тока через стабилитрон рабочая точка на ВАХ стабилитрона (рис.2.2.2) будет перемещаться вниз, т.е. при росте (рис.2.2.1) на ВАХ (рис. 2.2.2) будут возрастать (по абсолютной величине) отрицательные значения тока через стабилитрон.)

Учитывая, что , получим ток нагрузки:

. (3)

Выразим из (2) ток через стабилитрон и с учетом (1) и (3) получим:

. (4)

Пусть и произвольно варьируются от минимальных значений и до максимальных – и . Рис.2.2.2

Из анализа (4) следует, что: если увеличить, то ток через стабилитрон увеличивается, и если увеличить, то ток через стабилитрон увеличивается (по абсолютной величине). В противных случаях ток через стабилитрон уменьшается (по абсолютной величине).

Возможны четыре сочетания крайних значений ЭДС и сопротивления нагрузки:

и ; (5)

и ; (6)

и ; (7)

и . (8)

На основании вышеизложенного и с учетом (4) следует, что минимальный (по абсолютной величине) ток через стабилитрон будет в случае (5), а максимальный – в случае (6).

При расчете величины сопротивления балластного резистора в схеме (рис.2.2.1) обычно придерживаются следующей методики:

1. Выражение (4) преобразуется к виду:

, (9)

В (9) подставляются значения и согласно (5). При этом ток через стабилитрон примет минимальное значение. Поскольку для обеспечения режима стабилизации напряжения на нагрузке ток через стабилитрон не должен быть меньше минимального (по абсолютной величине), то в (9) вместо следует подставить . После проведения вычислений по (9) определяется величины сопротивления балластного резистора.

2. Выражение (4) преобразуется к виду:

, (10)

В (10) подставляются значения и согласно (8). При этом ток через стабилитрон примет минимальное значение . Поскольку для обеспечения работоспособности параметрического стабилизатора (рис.2.2) ток через стабилитрон не должен быть больше минимального (по абсолютной величине) допустимого тока через стабилитрон , то следует проверить выполнение условия:

. (11)

В случае выполнения (11) параметрический стабилизатор считается неработоспособным, т.к. стабилитрон выйдет из строя из-за перегрузки по току. Необходимо применить в схеме стабилитрон другой марки с большим значением допустимого максимального тока или использовать другое схемотехническое решение для стабилизации напряжения на нагрузке.