2.1.2. Стабілітрони і схеми стабілізації напруги.

Стабілітрони (діоди Зенера) – різновиди діодів, призначених для стабілізації напруги. В цих діодах знаходить корисне використання небезпечне для звичайних діодів явище електричного пробою. Нормальним режимом роботи стабілітронів є робота при зворотній напрузі, яка відповідає відновлюваному електричному пробою n-p переходу. Як напівпровідниковий матеріал в стабілітронах використовується кремній, що зумовлене більш високою його температурною стабільністю. В стабілітронах p і n області мають підвищений вміст домішок, що зумовлює тонкий і яскраво виражений n-p перехід, в якому швидко розвивається і встановлюється електричний пробій. Пробій настає при порівняно низькій і приблизно постійній (для кожного типу стабілітрону) зворотній напрузі. Типова вольт-амперна характеристика стабілітрона показана на рис. 2.6.

П рямий струм (1) в залежності від напруги змінюється, як у будь-якого звичайного діода, за експоненціальним законом. Вітка зворотного струму характеризує зворотний режим стабілітрону. Вона має вид прямої вертикальної лінії, що проходить майже паралельно осі струмів. Тому при зміні в широких межах струму падіння напруги на стабілітроні практично не змінюється. Ця властивість стабілітронів і дозволяє використовувати їх як стабілізаторів напруги. Отже робочою ділянкою стабілізації є діапазон зміни зворотного струму від І_min до I_max (рис. 2.6).

Оскільки електричний пробій настає при низький зворотній напрузі, потужність, яка виділяється в n-p переході навіть при значних зворотних струмах незначна, що запобігає тепловому (незворотному) пробою. Перевищення гранично допустимої зворотної напруги стабілітрона призводить, як і в звичайних діодах, до виходу приладу з ладу.

Основними параметрами кремнієвих стабілітронів є:

• Напруга стабілізації U_ст – падіння напруги на стабілітроні в області стабілізації при номінальному значенні струму.

• Мінімальний струм стабілізації І_ст.min – таке значення струму через стабілітрон, при якому виникає стійкий пробій.

• Максимальний струм стабілізації І_ст.max – найбільше значення струму через стабілітрон, при якому потужність, що розсіюється на стабілітроні, не перевищує допустимого значення.

• Диференціальний опір r_d – відношення приросту напруги на стабілітроні до приросту струму в режимі стабілізації – r_d = U / І.

Величина r_d характеризує міру стабільності напруги стабілізації при зміні струму пробою.

• Максимальна потужність розсіювання Р_mах – найбільша потужність, що виділяється в n-p переході, при якій не виникає тепловий пробій переходу.

• Температурний коефіцієнт напруги стабілізації α_ст – відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури навколишнього середовища (% / град) – α_ст = U_ст / (U_ст ·T).

Н айбільш проста, і досить поширена схема стабілізації постійної напруги на кремнієвому стабілітроні наведена на рис. 2.7. В цій схемі стабілітрон включається в зворотному напрямку паралельно навантаженню. Послідовно стабілітрону і навантаженню включений баластний (обмежувальний) резистор R_б. На цьому резисторі сумується падіння напруги, зумовлені струмами І_ст і І_н. Схема являє собою дільник напруги, що складається з резистора R_б і стабілітрона VD. При зміні напруги живлення U_вх напруга на стабілітроні і на навантаженні R_н змінюється незначно, в чому і виражається стабілізуюча дія схеми.

Опір резистора R_б для вибраного режиму стабілізації визначається з співвідношення:

U_н + (І_ст + І_н) R_б = U_вх.

Звідки:

R_б = (U_вх – U_н) / (І_ст + І_н).

Дві з можливих схем стабілізатора змінної напруги на кремнієвих стабілітронах наведена на рис. 2.8.

В схемі рис. 2.8-а напруга мережі через відповідний трансформатор надходить в схему, що складається з резистора R_б і зустрічно включених стабілітронів VD1 і VD2. Змінна напруги обмежується на рівні напруги стабілізації U_cт стабілітронів VD1 і VD2.

а) б)

Рис. 2.8.

В схемі рис. 2.8-б замість двох стабілітронів використаний один двосторонній стабілітрон VD1. Двосторонній стабілітрон – це два імпульсних стабілітрона, включених зустрічно. Стабілітрони зазвичай однакові, що призводить до симетричної ВАХ. Двосторонній стабілітрон частіше називають двоанодним. Головна особливість полягає в тому, що його можна включати в схемі незалежно від полярності. Стабілітрони однієї і тієї ж марки можуть бути як двосторонніми, так і односторонніми, наприклад, КС162, КС168, КС133 та ін. бувають в залізних корпусах (або в склі) і вони односторонні, а бувають в пластмасі зазвичай червоного кольору – двоанодні.

Внаслідок такого включення двох стабілітронів або одного двостороннього на виході отримується напруга U_вих трапецеїдальної форми (рис. 2.9). При зміні величини вхідної напруги амплітуда вихідної напруги залишається постійною, а діюче значення міняється незначно за рахунок деякої зміни площі трапецій.