5. Содержание отчета

Отчет должен содержать цель работы, краткое качественное описание работы полупроводникового диода с указанием специфики кремниевых и германиевых диодов, схему эксперимента, результаты по пунктам 4.1-4.9, сравнительный анализ параметров кремниевого и германиевого диода.

6. Контрольные вопросы

1. Чем объясняется различие в значениях тепловых токов кремние­вых и германиевых диодов?

2. Почему различаются прямые напряжения кремниевых и германиевых диодов?

3. Объяснить причины отклонения обратной ветви ВАХ реального

диода от идеализированного?

4. Чем обусловлено отличие прямой ветви ВАХ реального диода от экспоненты?

5. Изобразить эквивалентную схему диода при обратном включении.

6. Изобразить эквивалентную схему диода при прямом включении.

7. Изобразить структуру р-п перехода.

8. Изобразить зонную диаграмму р-п перехода в равновесном состоя­нии.

9. Изобразить зонную диаграмму р-п перехода при прямом смещении.

10. Изобразить зонную диаграмму р-п перехода при обратном смещении.

11. Изобразить распределение носителей в р-п переходе в равновес- ном состоянии, при прямом и обратном смещении.

12. Что такое инжекция?

13. Сформулировать условие односторонней инжекции.

14. Что такое экстракция?

15. Описать состояние р-п перехода в Больцмановском равновесии?

16. Как определяется высота потенциального барьера р-п перехода?

17. Как зависит граничная концентрация неосновных носителей от приложенного к р-п переходу внешнего напряжения?

18. Чем объясняются вентильные свойства р-п перехода?

19. Какая область называется базой, эмиттером?

20. Как связан ток диффузии с градиентом концентрации?

21. Как связан дрейфовый ток с напряженностью электрического поля?

22. Приведите температурную зависимость обратного тока?

23. Как прямое напряжение на диоде зависит от температуры?

ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторных схем. Изд.4-е, перер. и доп., М. "Энергия", 1977, стр.87-146.

2. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы. М.: Высш.шк. 1973, стр. 5-80.

3. Пауль Р. Транзисторы. Физические основы и свойства. Сов.радио. 1983. стр. 22-75.

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов. -М.; Сов. радио. 1980.стр. 71-93.

5. Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Учебн.посо­бие для вузов по спец. "Радиотехника".-Мн.: Выш.шк.,1987. стр. 99-119.

6. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы:Учебник для вузов. -3-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш.школа.1981,стр.38-122.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТАБИЛИТРОНОВ

1. Цель работы

Цель работы: ознакомление с основными физическими процессами, протекающими в р-n-переходе в режиме пробоя, ознакомление с типами пробоя полупроводниковых диодов, исследование вольт-амперных характеристик и определение нормируемых параметров полупроводниковых низковольтного, двуханодного и прецизионного (термокомпенсированного ) стабилитронов, исследование параметрического стабилизатора напряжения.

2. Теоретические сведения

Стабилитроном называется полупроводниковый прибор, напряжение на котором слабо зависит от протекающего тока. Такая зависимость характерна для режима пробоя на обратной ветви полупроводникового диода. Поэтому основной особенностью стабилитрона является то, что он работает в режиме пробоя. Различают лавинный, туннельный, тепловой, поверхностный пробой.

Лавинный пробой – это лавинное размножение носителей заряда в р-n-переходе, вызванное ударной ионизацией атомов кристаллической решетки носителями заряда.

Лавинный пробой возможен, если ширина р-п-перехода ℓ значительно больше длины свободного пробега электрона d. При обратном смещении ширина перехода увеличивается и для несимметричного перехода (N_А >>N_Д) и при Uобр >>∆₀ равна:

При увеличении внешнего напряжения Uобр напряженность поля Е возрастает:

Рис. 1. Несимметричный р-n-переход

Электроны и дырки, разогнавшись в этом поле, могут набрать скорость и приобрести энергию, достаточную для ионизации атома вещества, т.е. для отрыва от него валентного электрона. В результате разрыва валентной связи в зоне проводимости появляется новый свободный электрон, а в валентной зоне – дырка. Эти носители также могут приобрести энергию, достаточную для ионизации и создавать новые электронно-дырочные пары.

С ростом напряженности электрического поля, при увеличении внешнего напряжения, носители получают все большую энергию, интенсивность ударной ионизации возрастает и процесс образования электронно-дырочных пар приобретает лавинный характер. Ток через переход при этом резко возрастает.

Напряжение, на котором начинается лавинное размножение носителей заряда, называется напряжение лавинного пробоя. Отношение числа электронно-дырочных пар, образованных в результате ионизации, к числу вошедших в р-n-переход электронов называется коэффициентом умножения М. Пробой наступает, когда М стремится к бесконечности.

Величина М зависит от Е, от распределения примесей.

где m = 2−6 − постоянная для определенного материала,

Uпроб – напряжение пробоя р-n-перехода.

Если приближенно считать, что средняя напряженность поля равна Eпроб/2, где Eпроб – максимальное значение напряженности поля на границе p и n областей (рис.1), то

Эту формулу удобно применять при проектировании р-n-перехода, так как она позволяет по заданному напряжению пробоя определить требуемую концентрацию примеси Nд в базе диода.

При увеличении концентрации примеси в базе напряжение пробоя уменьшается (рис.2), т.к. при этом уменьшается ширина области пространственного заряда и увеличивается энергия и скорость носителей в приграничной зоне. Когда концентрация примеси в базе достигает примерно 10¹⁸ 1/см³, наступает туннельный пробой.

Туннельный пробой возникает в переходах, где длина свободного пробега зарядов d больше ширины p-n-перехода ℓ. При этом существует вероятность того, что заряд, имеющий кинетическую энергию, меньшую высоты потенциального барьера, может при определенных условиях преодолеть барьер. Туннельный пробой возможен, если с обеих сторон потенциального барьера имеются разрешенные энергетические уровни. Возрастание туннельного тока в области пробоя происходит при напряженности поля E, большей критической Eкр. Экспериментально найдено, что доя германия Eкр составляет примерно 4∙10⁵ В/см. для кремния – 1.4∙10⁶ В/см.

Рис. 2. Зависимость напряжения лавинного пробоя

от концентрации примеси

Оба рассмотренных вида пробоя являются обратимыми, т.е. не ведут к физическому разрушению p-n-перехода. При этом обратные ток и напряжение ограничены в некоторых пределах. Увеличение обратных тока и напряжения сверх этих пределов приводит к тепловому пробою. При протекании обратного тока через p-n-переход на нем выделяется мощность Рвыд = Uобр∙Iобр. Если количество выделенного тепла превысит количество тепла, отводимого от p-n-перехода, то температура перехода начнет повышаться, что приведет к увеличению концентрации носителей заряда и росту обратного тока. Это еще больше увеличит количество выделяемого тепла, а концентрация носителей увеличится еще больше и т.д. Такой процесс может привести к перегреву кристалла полупроводника – тепловому пробою.

Тепловой пробой обычно наступает вследствие нарушения условий эксплуатации полупроводникового прибора, после лавинного или туннельного пробоя, поэтому его называют вторичным пробоем.

Мощность, отводимая от p-n-перехода, определяется по формуле:

где Тпер – температура p-n-перехода,

Тк – температура корпуса полупроводникового прибора,

Rтп-к – тепловое сопротивление переход – корпус.

Понятие теплового сопротивления получено с помощью метода электротепловой аналогии, где разность температур соответствует разности потенциалов, а тепловая мощность – электрическому току. Следуя этой аналогии, отношение разности температур к выделяемой мощности есть тепловое сопротивление. Rт определяется конструкцией полупроводникового прибора и условиями теплоотвода. Напряжение теплового пробоя тем меньше, чем больше Rт и начальный обратный ток Iо.

Тепловому пробою соответствует участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением - рис.3.

Тепловой пробой, как правило, локализуется в некоторых «слабых» местах p-n-перехода, так как из-за начальной неоднородности обратного тока или неоднородности теплоотвода в некоторой области перехода температура может превысить среднюю по переходу. Это вызовет локальное увеличение плотности тока и выделяемой мощности, что в свою очередь еще больше повысит температуру данной области и т.д.

Для избежание теплового пробоя необходимо ограничивать обратный ток и напряжение на переходе в допустимых пределах, и обеспечить качественный теплообмен между корпусом полупроводникового прибора и окружающей средой. Это достигается применением радиаторов, обдувом и пр.

Напряжение пробоя зависит от температуры окружающей среды, причем по-разному для разных видов пробоя.

Напряжение лавинного пробоя с ростом температуры увеличивается. Это происходит потому, что увеличиваются амплитуда и частота колебаний атомов основного материала полупроводника в узлах кристаллической решетки. В результате возрастает вероятность столкновения с ними носителей, еще не имеющих энергии ионизации. Число актов ионизации уменьшается и резкого увеличения обратного тока через p-n-переход не происходит, пробой не наступает . Для того, чтобы большее количество носителей приобрело энергию, необходимую для ионизации, необходимо увеличить напряжение.

Рис. 3. Обратная ветвь ВАХ p-n-перехода при различных

механизмах пробоя.

В случае туннельного пробоя с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны, поэтому вероятность туннелирования электронов увеличивается. Следовательно, для наступления пробоя необходимо приложить меньшее обратное напряжение.

При увеличении температуры будут ухудшаться условия теплообмена между полупроводниковым прибором и окружающей средой. Это приведет к уменьшению рассеиваемой мощности и увеличению соотношения Pвыд/Pрас. В этом случае тепловой пробой наступает при меньших обратных напряжениях.

Кроме рассмотренных, возможен поверхностный пробой, причиной которого может быть несоблюдение определенных технологических требований в процессе изготовления диода. Вследствие различных дефектов на поверхности полупроводника имеются энергетические уровни. на которых захватываются носители заряда, образующие поверхностный заряд. Из-за увеличения концентрации подвижных зарядов у поверхности ширина области объемного заряда (p-n-перехода) уменьшается, а, следовательно, напряжение пробоя также уменьшается. Это явление носит название поверхностного пробоя.

Для исключения влияния поверхностного заряда на напряжение пробоя поверхность полупроводника защищают диэлектриком.

Полупроводниковые стабилитроны изготавливают из кремния. Это связано с тем, что p-n-переходы, изготовленные из кремния, имеют начальный обратный ток Iо на порядок меньше, чем германиевые. Кроме того, температурная зависимость обратного тока от температуры у германиевых диодов значительно выше.

Выбор механизма пробоя для изготовления стабилитронов зависит от того, на каком уровне должен стабилизировать напряжение данный стабилитрон. С использованием туннельного пробоя можно стабилизировать напряжение на уровне до 5-6 В. Для изготовления более высоковольтных стабилитронов применяют механизм лавинного пробоя.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис.4.

Основными параметрами стабилитрона являются:

Uст [В] – номинальное напряжение стабилизации при заданном токе Iст.

Iст мин [mA] – минимальный ток стабилизации, соответствуют началу устойчивого пробоя.

Iст макс [mA] - максимальный ток стабилизации, ограничен допустимой мощностью рассеивания Pдоп.

r_СТ [Ом] - дифференциальное сопротивление на участке пробоя. определяется (рис.4):

Величина r_СТ определяет качество стабилизации: чем меньше разность Uст макс и Uст мин (при Iст макс - Iст мин = const), тем стабильнее напряжение.

Рис. 4. ВАХ стабилитрона

∆Uст [mB],[%] - допустимый разброс напряжения стабилизации - абсолютная или относительная разность между действительным и номинальным напряжениями стабилизации при номинальном токе I ст.

ТКН [%/ К] - температурный коэффициент нестабильности напряжения, равный отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры при постоянном токе:

Для низковольтных стабилитронов (Uст < 5-6 В) ТКН <0, т.к. они изготавливаются на основе туннельного пробоя. Соответственно у высоковольтных стабилитронов, изготовленных на основе лавинного пробоя, ТКН положительный.

Одним из способов уменьшения ТКН является термокомпенсация. Суть ее заключается в последовательном соединении переходов с равными по значению, но разными по знаку ТКН. Например, если напряжение пробоя перехода имеет ТКН = +6 mB/К, то при изготовлении стабилитрона последовательно с ним включают 3 прямосмещенных перехода, т.к. прямого смещения ТКН примерно – 2 mB/град:

δ Uст [%] − временная нестабильность Uст, показывает изменение напряжения стабилизации с течением времени эксплуатации стабилитрона – от 500 до 10000 час.

Iпр макс [mA]-максимально допустимый постоянный прямой ток.

Uпр [B] −постоянное прямое напряжение при заданном прямом токе.

Рмакс [Вт] −максимально допустимая мощность рассеивания.

Одной из разновидностей стабилитрона является двуханодный стабилитрон, содержащий два встречно включенных p-n-перехода с общим катодом. Переходы работают поочередно в режиме пробоя при изменении полярности напряжения. Таким образом обеспечивается симметричность ВАХ стабилитрона. Для этого стабилитрона нормируется параметр HUст – несимметричность напряжения Uст:

HUст = Uст1 – Uст2 при Iст1 = Iст2

Другой разновидностью стабилитрона является стабистор. Это стабилитрон, предназначенный для стабилизации низких (до 3 В) напряжений. В стабисторах используется прямая ветвь ВАХ p-n-перехода. ТКН стабисторов отрицательный и определяется числом прямосмещенных переходов.

Стабилитроны классифицируются по группам в соответствии с напряжением стабилизации и мощностью. Система обозначений стабилитронов основана на общем для п/п приборов коде:

КС191 А

1. Материал

2. Подкласс С – стабилитроны

3. Основной признак (параметр, назначение)

4. Номер разработки (напряжение стабилизации)

5. Классификация по параметрам внутри одной

технологической группы.

Третий элемент обозначения – цифра от 1 до 9 – указывает область применения по Uст и Рмакс.

Одно из назначений стабилитрона – стабилизация выпрямительного напряжения, изменяющегося вследствие нестабильности напряжения сети и наличия пульсации, т.е. применение в цепях питания.

Другое важное применение – в качестве опорного элемента для формирования эталонного напряжения в измерительных цепях.

Схема простейшего параметрического стабилизатора приведена на рис. 6. Нагрузка Rн включена параллельно стабилитрону. Стабилитрон подключается к источнику входного напряжения (например, к выходу выпрямителя) через балластное (ограничительное) сопротивление R.

Рис. 6. Параметрический стабилизатор напряжения

При изменении входного напряжения Uв изменится ток Iв через балластное сопротивление R и, соответственно, ток стабилитрона Iст. Напряжение стабилизации слабо зависит от тока стабилитрона, поэтому напряжение Uн = Uст и ток нагрузки Iн не изменяется. а почти все приращение dUвх упадет на резисторе R.

При изменении сопротивления нагрузки изменяются ток нагрузки Iн и Iст: dIст = -dIн при неизменном Iв; напряжение нагрузки останется постоянным.

Основными параметрами стабилизатора являются

Кст – коэффициент стабилизации, равный отношению относительного приращения входного напряжения к относительному приращению напряжения на нагрузке:

Rвых – выходное сопротивление, равное отношению изменения напряжения на нагрузке к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном напряжении на входе:

В режиме пробоя на крутом участке ВАХ (рис. 4) при выполнении условия Iст>Iст мин стабилитрон можно заменить эквивалентным источником ЭДС Uст с внутренним сопротивлением r_СТ. Линейная схема замещения стабилизатора для приращения напряжений и токов (после исключения всех постоянных величин):

Рис. 7. Эквивалентная схема стабилитрона (а) и малосигнальная

схема замещения параметрического стабилизатора (б).

Выходное сопротивление:

Rвых = R//r_СТ = r_СТ при R>> r_СТ

С учетом равенства dIв = dIст + dIн, при dIн = 0 получим:

dIв = dIст, dUв = dIв (R + r_СТ), dUн = dIст ∙ r_СТ = dIв ∙ r_СТ

Нагрузочная характеристика стабилизатора отражает зависимостьUн=f(Iн) при Uв = const (рис.8). При Iн = 0 на выходе действует напряжение холостого хода Uн хх. Через стабилитрон протекает максимальный ток Iст = (Uв - Uст)/R – Iн = (Uв - Uст)/R. С ростом Iн напряжение на нагрузке уменьшается за счет падения напряжения на внутреннем (выходном) сопротивлении стабилизатора Rвых = r_СТ. Напряжение на нагрузке поддерживается примерно постоянным (с малым изменением Iн rст) до тех пор, пока поддерживается ток стабилитрона Iст = (Uв - Uст)/R – Iн > Iст мин. В момент равенства Iн = Iн макс = (Uв - Uст)/R – Iст мин стабилитрон выходит из режима пробоя, его сопротивление резко возрастает и ток стабилитрона падает до 0 (обратный ток диода в предпробойном состоянии).

Рис. 8. Нагрузочная характеристика параметрического стабилизатора напряжения (а) и зависимость тока стабилитрона от тока нагрузки (б).

При Iн > Iнмакс стабилизатор выходит из режима стабилизации. Выходное сопротивление стабилизатора увеличивается до R и рост Iн сопровождается падением напряжения Uн за счет того, что все приращение тока нагрузки протекает через балластное сопротивление R. Максимальный ток, отдаваемый стабилизатором в режиме к.з. равен Iкз = Uв/R.

Расчет стабилизатора заключается в выборе стабилитрона по заданному напряжению Uст, выборе тока Iст > Iстмин и определении R и Uв. При стабильной нагрузке и неизменном входном напряжении достаточно определить Uв из условия Uв=(1.5÷2)Uст и рассчитать R=(Uв-Uст)/(Iст+Iн). Если полученное значение Kст меньше требуемого, необходимо увеличить Uв и R.

При изменении Uв и изменяющейся нагрузке соответственно изменяется и ток стабилизации, поэтому в первую очередь необходимо обеспечить условие сохранения режима стабилизации – исключить выход тока за допустимые пределы для данного стабилитрона:

Iстмин <Iст<Iстмакс

Исходные данные при проектировании параметрического стабилизатора:

Uст - номинальное напряжение на нагрузке.

Iнмакс - максимальный ток нагрузки.

Iнмин - минимальный ток нагрузки. Как правило стабилизатор должен быть работоспособен в режиме х.х. ( отключенная нагрузка), поэтому Iнмин = 0.

dIн - изменение тока нагрузки, равно Iнмакс при Iнмин = 0.

Кн - коэффициент нестабильности выпрямленного напряжения Uв на входе, обычно определяется нестабильностью трансформированного сетевого напряжения – 0.1.

Кп - коэффициент пульсации входного напряжения. Определяется параметрами фильтра и равен 0.05 – 0.2.

Кu=Кн+Кп - суммарный относительный коэффициент изменения Uв.

Требования к стабилитрону по максимальному и минимальному токам получим из уравнения

подстановкой соответствующих значений:

Из последней формулы выразим Uв/R и подставим в предыдущую:

Принимая первоначально R=∞, можно выбрать стабилитрон по максимальному току, по справочному определить минимальное R и рассчитать Uв

Пример расчета параметрического стабилизатора.

Uн=22В, Iнмакс =16мА, Iнмин=0, Кн=0.1, Кп=0.1.

dIн = Iнмакс - Iнмин = Iнмакс = 16мА. Кu = Кн + Кп = 0.2.

По справочнику [7.8] выбираем стабилитроны с требуемым Uст. При отсутствии стабилитрона с нужным Uст допускается последовательное включение 2-3 стабилитронов. При этом следует учитывать, что Uст, r_СТ и ТКН эквивалентного стабилитрона равно сумме соответствующих значений стабилитронов, Iстмакс определяется наименьшим из максимальных, а Iстмин - наибольшим из минимальных токов.

Параметры некоторых стабилитронов приведены в таблице 1.

Таблица 2.1

Тип	Uст [В]	Iстмин [мА]	Iстмакс [мА]	rст [Ом]	ТКН [%/К]	Р [Вт]
КС222Ж	22	0.5	5.7	70(2мА)	0.1	0.125
Д814Г	11	3	29	15(5мА)	0.095	0.340
КС522А	22	1	37	25(5мА)	0.1	1
Д816А	22	10	230	7(150мА)	0.12	5

Оценим требуемый ток

Очевидно, КС222Ж не подходит: 5.7 мА<24мА. Для 2-х стабилитронов Д814Г с током Iстмин = 3мА Iстмакс = 29 > 24 + 1.5 Iстмин = 24+4.5 = 28.5мА. Теоретически эти стабилитроны могут быть использованы, но из-за очень малого запаса по току необходимо выбирать очень большие R и Uв:

Недостатки стабилизатора, исключающие применение данных стабилитронов: необходим повышающий трансформатор, высоковольтные выпрямительные диоды и емкость для фильтра, очень низкий КПД.

Для стабилитронов Д816А с токами до 230мА наоборот, условия по току выполняются с большим запасом (как и по мощности), поэтому его применение нецелесообразно экономически. Оптимальным можно считать стабилитрон КС522А:

Iстмакс=37мА > 24+1.5Iстмин = 24+1.5∙1 = 25.5мА.

Определим величину сопротивления R:

Выбираем R=1.2 кОм и рассчитываем Uв:

Выбираем Uв = 53 В и определяем пределы измерения Uв

Uвмин=(1 - Кu)Uв = (1 – 0.2)53=42.4 В

Uвмакс=(1 + Кu)Uв = (1 + 0.2)53=63.6 В

Проверяем режим стабилизации

Iстмакс = 37 мА >

Iстмин = 1 мА <

Параметры стабилизатора

Мощностные параметры стабилизатора при номинальной нагрузке:

Рн = Uст∙Iнмакс = 22∙16 = 352 мВт.

Iст = (Uв – Uст )/R – Iнмакс = (53-22)/1.2 – 16 = 10 мА.

Рст = Uст∙Iст = 22∙10 = 220 мВт.

Рстмакс = Uст∙Iстмакс = 22∙34.7 = 764 мВт < 1Вт.

Входной ток Iв = (Uв – Uст)/R = (53 – 22)/1.2 = 26мА

или Iв = Iст + Iнмакс = 10 +16 = 26 мА.

Потребляемая мощность Рв = Uв ∙Iв = 53∙26 = 1378 мВт.

КПД = Рн/Рв = 353/1378 = 0.25

Мощность на ограничительном резисторе R

Рr = (Uв – Uст)∙Iв = (53 – 22) ∙26 = 806 мВт

Баланс мощностей

Рв = Рн + Рст + Рr = 352 + 220 + 806 = 1378 мВт.

Максимальная мощность на резисторе для выбора по мощности

Рr = (Uвмакс – Uст)/R = (63.6 – 22)/1.2 = 1.44 Вт.

Существенно улучшить параметры стабилизатора позволяет применение эмиттерного повторителя напряжения на биполярном транзисторе. Режим работы стабилитрона в этом случае близок к оптимальному – режиму холостого хода.

База транзистора подключена к стабилитрону, а нагрузка включена в цепь эмиттера. Напряжение на нагрузке меньше чем Uст на величину падения напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе Uбэ = 0.5-0.7 В: Uн = Uст – Uбэ. Соотношения между токами транзистора : Iэ = Iб +Iк,

Iк=βIб, Iэ = (1+β)Iб, где β – статический коэффициент усиления тока базы.

От стабилитрона потребляется не ток нагрузки, а ток базы Iб = Iэ/(1+β). При β = 50-200 влиянием тока нагрузки на Iст можно практически пренебречь. Расчет стабилизатора проводится аналогично рассмотренному выше , с заменой Iн на Iб = Iн/(1+β).

Зададимся предварительно β=50. Тогда Iбмакс = Iнмакс/(1+ β) =16/(1+50) = = 0.31мА. Эквивалентный ток нагрузки для стабилитрона изменяется от 0 до 0.31 мА, т.е. dIБ = IБмакс.

Можно выбрать стабилитрон с меньшими токами, например КС222Ж с Iстмин = 0.5 мА и Iстмакс = 5.7мА (табл.1). Для него условие по максимальному току, невыполнимое ранее, в данной схеме обеспечивается с запасом:

Iстмакс = 5.7 мА > 0.47+1.51Iстмин = 0.47 + 1.5∙0.5 = 1.22 мА.

Определим величину сопротивления R:

Выбираем Uв = 34В и определяем пределы измерения Uв

Uвмин = (1-Кu)Uв = (1-0.2)34 = 27.2 В

Uвмакс = (1+Кu)Uв = (1+0.2)34 = 40.8 В

Проверяем режим стабилизации

Iстмакс = 5.7 мА >

Iстмин = 0.5 мА <

Параметры стабилизатора

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя

Rвых = (r_СТ + h11э)/(1+В) = r_СТ /(1+В) + h11Б,

где h11э и h11Б,б = h11э /(1+β) – входные сопротивления транзистора в схеме включения соответственно с общим эмиттером и с общей базой. Принимая ориентировочно h11э = 1кОм, получим

Rвых=Rст = (20+1000)/51 = 21 Ом.

Для выбора транзистора определим предъявляемые к нему требования:

Iкмакс > Iнмакс = 16мА,

Uкэмакс > Uвмакс – Uст = 41 – 22 = 19 В,

Ркмакс > Uкэмакс∙ Iкмакс = 16∙19 = 304 Вт,

Вмин > 50

Выбираем транзистор КТ503Б с параметрами [7.9]

Iкмакс = 150 мА > 16мА,

Uкэмакс = 40В > 19В,

Ркмакс = 350 мВт > 304 мВт,

h21э = β = 80 – 240 > 50

h11э = 0.58 – 4.0 кОм.

После выбора транзистора можно уточнить параметры стабилизатора. Так как реальный коэффициент βмин = 80 больше, чем используемый в расчете, следует ожидать улучшения параметров по сравнению с расчетными. В частности, уменьшатся Rвых и изменение тока базы dIБ = IБмакс = Iн/(1+β).

Ток стабилизации в номинальном режиме ( Iн = Iнмакс )

Iст = (Uв – Uст)/R – IБмакс = (34 -22)/6.2 – 0.31 = 1.6 мА.

Рст = Uст∙Iст = 22∙3 = 35 мВт.

Рстмакс = Uст∙Iстмакс = 22∙3 = 66 мВт <125 мВт.

Рн = (Uст – UБэ)Iнмакс = (22 – 0.7)16 = 340 мВт

Входной ток Iв = Iст + Iнмакс = 1.6 + 16 = 17.6 мА.

Потребляемая мощность Рв = Uв∙Iв = 34∙17.6 = 600 мВт.

КПД = Рн/Рв = 340/600 = 0.57.

Эмиттерный повторитель позволил более чем в 2 раза увеличить Кст и КПД. Пожалуй, единственным существенным недостатком схемы на рис.9. является ухудшение ТКН, что требует принятия специальных мер при построении стабильных источников напряжения. При использовании термокомпенсированного стабилитрона температурная нестабильность напряжения на нагрузке будет определяться в основном дрейфом напряжения UБэ, составляющим −2мВ/К. Для повышения стабильности последовательно с стабилитроном включают дополнительный прямосмещенный p-n- переход с напряжением Uдоп, равным UБэ. Тогда

Uн = Uст + Uдоп –UБэ = Uст,

ТКН = ТКНст +ТКНдоп - ТКНБэ ТКНст.

Равенства Uн = Uст и ТКН = ТКНст выполняются тем точнее, чем точнее равенства Uдоп = UБэ и ТКНдоп = ТКНБэ. Поэтому в качестве дополнительного p-n- перехода используют эмиттерный переход транзистора того же типа, что и для повторителя напряжения.