4.2 Короткі теоретичні відомості

Стабілітрони - це напівпровідникові діоди, що працюють в режимі лавинного пробою. Вони призначені для стабілізації рівня напруги в нелінійних колах постійного струму. В якості стабілітронів використовуються площинні кремнієві діоди (позначають КС 168А). При використанні високолегіруваного кремнію (висока концентрація домішок, а відповідно і велика кількість вільних носіїв заряду) напруга стабілізації знижується, а зі зменшенням ступеня легування - підвищується. Напруга стабілізаці лежить в діапазоні від 3 до 180 В. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона зображена на малюнку 4.1.

На характеристиці точками А і В позначені границі робочої ділянки. Розміщення точки А відповідає напрузі пробою р-п переходу, яка залежить від питомого опору вихідного матеріалу. Точка В відповідає граничному режимі, в якому на стабілітроні розсіюється максимально допустима потужність.

Рисунок 4.1 – Вольт-амперна характеристика стабілітрона

При підключенні стабілітрона до джерела постійної напруги через резистор виходить схема для дослідження стабілітрона (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Схема для дослідження стабілітрона

Струм стабілізації стабілітрона Iст може бути визначений обчисленням падіння напруги на резисторі R

(4.1)

Напруга стабілізації стабілітрона Ucт визначається точкою на вольт-амперній характеристиці, в якій струм стабілітрона різко збільшується. Потужність розсіювання стабілітрона Pст обчислюється як добуток струму Iст на напругу Ucт:

(4.2)

Диференційний опір стабілітрона обчислюється таким ж чином, як і для діода, по нахилу вольт-амперної характеристики: (4.3)

На практиці схема стабілізатора напруги містить навантажувальний опір, який приєднаний паралельно стабілітрону (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Схема параметричного стабілізатора напруги

Для цієї схеми справедливе рівняння

(4.4)

З цього рівняння отримаємо вираз для струму стабілізації

(4.5)

На підставі рівняння (4.5) може бути побудована навантажувальна пряма, точка перетину якої з вольт-амперною характеристикою являється робочою (рисунок 4.1).

При зміні напруги джерела живлення Е навантажувальна пряма переміщається паралельно до самої себе (пунктирна лінія на малюнку 4.1), а при зміні опору навантаження змінюється її нахил.

4.3 Порядок проведення експериментів

Експеримент 1

Вимірювання напруги і обчислення струму через стабілітрон.

а) Побудуйте схему згідно з малюнком 4.2 і увімкніть її. Виміряйте значення напруги Ucт на стабілітроні при значеннях ЕРС джерела Е, які наведені у таблиці 4.1 розділу "Результати вимірювань", і занесіть результати вимірів у ту ж таблицю.

б) Обчисліть струм Iст стабілітрона для кожного значення напруги Ucт використовуючи формулу (4.1). Результати обчислень занесіть у таблицю.

в) За даними таблиці (4.1) побудуйте вольт-амперну характеристику стабілітрона.

г) Оцініть за вольт-амперною характеристикою стабілітрона напругу стабілізації.

д) Обчисліть потужність Рст, розсіючою на стабілітроні при ЕРС джерела Е = 20 В.

е) Виміряйте нахил ВАХ в області стабілізації напруги і оцініть диференціний опір стабілітрона в цій області.

Експеримент 2.

Отримання навантажувальної характеристики параметричного стабілізатора (схема на малюнку 4.3).

а) Підключіть резистор Rн = 75 Ом паралельно стабілітрону. Значення ЕРС джерела Е встановіть рівним 20В. Увімкніть схему. Запишіть значення напруги Ucт на стабілітроні в таблицю 4.2 розділу "Результати експериментів".

б) Повторіть пункт а) при короткому замиканні і при опорах резистора Rн - 100 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 КОм.

в) Розрахуйте струм Ir через резистор R, включений послідовно з джерелом, струм Iн через резистор Rн, і струм стабілітрона Iст (за формулою 4.3) для кожного значення Rн. Результати занесіть у таблицю 4.2.

Експеримент 3.

Отримання ВАХ стабілітрона на екрані осцилографа.

Побудуйте схему відповідно до рисунку 4.4.

Рисунок 4.4 - Схема для полученя ВАХ стабілітрона на екрані осцилографа

Увімкніть схему. Відобразіть у звіті отриману ВАХ стабілітрона і запишіть експериментально отримане значення напруги стабілізації, на підставі графіка на екрані осцилографа.

Експеримент 4. Побудова навантажувальної прямої стабілітрона.

На вольт-амперній характеристиці стабілітрона, яка отримана в наслідок експерименту 1, побудувати навантажувальні прямі для наступних значень:

а) Е = 20В; R = 300 Ом; R н = 200 Ом;

б) Е = 20В; R = 300 Ом; R н = 1 кОм;

в) Е = 35В; R = 300 Ом; R н = 200 Ом.

Для кожного випадку визначити робочу точку.