Стабилитроны

Стабилитроны (их называют еще опорными диодами) представ­ляют собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, в котором специальным подбором исходных материалов добиваются высокого постоянства падения напряжения независимо от значений протека­ющего через него обратного тока. На рис. 17 приведена вольт-ам­перная характеристика кремниевого стабилитрона типа 2С162А, предназначенного для формирования опорного напряжения (6,2±0,3) В. Прямая ветвь вольт-ампер ной характеристики имеет та­кой же вид, как и у обычных выпрямительных кремниевых диодов, а обратная ветвь отличается наличием резкого излома в точке с на­пряжением U_СТ. Это напряжение называется номинальным напряжением стабилизации. Оно остается практически постоянным на рабо­чем участке вольт-амперной характеристики при изменении обрат­ного тока от I_MIN до I_MAX. Для стабилитрона типа 2С162А эти токи соответственно равны 3 и 22 мА.

Промышленностью выпускается широкий ассортимент стабилит­ронов с номинальным напряжением стабилизации от 3,3 до 180 В (с шагом примерно 10 %), различающихся величиной допуска ∆U_СТ на разброс U_СТ, температурной нестабильностью этого параметра _СТ, допустимой мощностью P_MAX, рассеиваемой в стабилитроне, динамическим сопротивлением R_ДИН (т.е. наклоном рабочего участка вольт-амперной характеристики), конструктивным испол­нением, диапазоном рабочих температур ∆T. Эти и некоторые до­полнительные параметры стабилитронов приводятся в справочных данных.

Конструктивное оформление стабилитронов мало отличается от оформления выпрямительных диодов. Стабилитроны малой мощно­сти от 20 до 300 мВт выпускаются в круглых пластмассовых или ме­таллических корпусах диаметром 5–10 мм и длиной около 12–25 мм. Выпускаются стабилитроны и в бескорпусном оформлении в виде пластмассовых таблеток с поперечными размерами не более 2 мм (например, стабилитрон типа КС164М). Стабилитроны средней мощности свыше 300 мВт и до 5 Вт оформлены в металлических или пластмассовых корпусах с гибкими или жесткими выводами. В по­следнем случае анодный вывод стабилитрона имеет резьбу, что поз­воляет осуществлять его надежный монтаж на охлаждающем радиа­торе. Все стабилитроны большой мощности, равной 8 Вт, имеют жесткие выводы для установки на радиаторе.

Основные технические характеристики некоторых типов стаби­литронов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Тип ста­билитрона	UСТ, В	UCТ, % (В)	PMAX, мВт	IСТ, мА	RДИН, Ом	IMIN, мА	IMAX, мА	CТ*10-2, %10С
КС133А	3,3	±10	300	10	65	3	81	–11
2С147Т-1	4,7	(±0,2)	50	10	56	1	10,6	– 8
2С162А	6,2	±5	150	10	35	3	22	±0,5
Д808	7–8,5	–	280	10	6	3	33	7
КС191Ф	9,1	±5 ,	200	10	18	3	20	±0,05
КС222Ж	22	(±2,2)	125	2	70	0,5	5,7	10
КС515Г	15	±5	500	10	25	3	31	0,5
Д816Д	47	±15	5000	10	65	10	110	15
КС650А	150	±15	5000	30	270	2,5	33	20
Д815В	8,2	±15	8000	1000	1,5	50	950	±9

П римечаиие: Для всех типов стабилитронов ∆T от –60 до +125°С.

Для получения стабильного напряжения на зажимах некоторого сопротивления нагрузки R_H стабилитрон включают так, как пока­зано на рис. 18. Резистор R1 служит для ограничения тока, протека­ющего через стабилитрон VD1. При увеличении входного напряже­ния от своего минимального значения до максимального ток в ста­билитроне I_СТ также увеличивается, однако за счет действия рези­стора R1 удерживается в допустимых пределах от I_MIN до I_MAX. При этом на стабилитроне устанавливается номинальное напряжение стабилизации U_CT, которое почти не возрастает. В нагрузке R_Н протекает ток I_Н = U_СТ/R_H также практически неизменной величи­ны. Порядок пользования справочными данными покажем на приме­ре расчета простейшего стабилизатора напряжения, приведенного на рис. 18.

Пример. Пусть электронное локомотивное устройство требуется обеспечить стабильным напряжением питания, номинальная величина кото­рого равна U_СТ = (15 ± 1) В. Ток, потребляемый устройством, I_Н = 15мА. При этом напряжение первичного источника U_П, которым является локомо­тивная батарея, равно (70 ± 20) В, т. е. изменяется от U_{П. MIN} – 50В до U_{П. MAX} – 90 В.

Расчет стабилизатора проводят в следующей последовательности. Вначале определяют максимально необходимый обратный ток стабилитрона:

(1)

Затем проверяют, удовлетворяет ли полученное значение этого тока не­равенству

I_Д < I_MAX, (2)

после чего находят величину ограничительного сопротивления R1:

R1 = (U_{П. MAX} – U_{П. MIN})/(I_Д – I_MIN). (3)

Выбираем стабилитрон типа КС515Г со следующими параметрами, при­веденными в табл. 4:

U_СТ= 15 ± 0,05·15= (15 ± 0,75) В; R_ДИН  25 Ом;

_СТ= 0,005 %/°С; I_MIN = ЗмА; I_MAX = 31 мА.

Пользуясь выражением (1), находим величину I_Д:

Убеждаемся, что условие (2) удовлетворяется, так как 24 < 31. В соответствии с выражением (3) находим R1:

R1 = (90 — 50)/[(24—3) 10^-3] =1,95-10³  2 кОм.

Нетрудно подсчитать, что при этом сопротивлении резистора и минимальном напряжении питания ток, протекающий через стабилитрон, равен 3 мА. Тогда при изменении напряжения питания с 50 до 90. В изменение напряже­ния на электронном устройстве по отношению к номинальному

Термостабильность выходного напряжения определим при условии, что окружающая температура может изменяться от –10 до +50°С. Отсюда не­стабильность ∆U_СТ.Т напряжения на нагрузке, обусловленная изменением температуры на величину ∆T = 50–(–10) = 60°С (по отношению к номинальной температуре, равной 20°С),

Таким образом, суммарная нестабильность выходного напряжения рассматриваемого стабилизатора

∆U_СТ = ∆U_СТ.ПИТ + ∆U_СТ.Т = ±0,28В.

Отсюда следует, что относительная нестабильность выходного напряжения не превышает

Отметим, что относительная нестабильность исходного напряжения питания значительно выше:

Таким образом, рассмотренный стабилизатор напряжения при указанном изменении внешней температуры более чем в 14 раз повышает стабильность напряжения на нагрузке по сравнению со стабильностью исходного напряжения питания.

Варикапы

Полупроводниковый диод с p-n-переходом, емкость которого изменяется под действием приложенного обратного напряжения, называется варикапом. Свое название варикап получил от сокращения двух английских слов vari(able) cap(acity) — переменная емкость. Варикапы (рис. 19) оформлены так же, как и обычные выпрямитель­ные диоды. Отличие в свойствах заключается в том, что применяя специальную технологию, добиваются существенной зависимости ем­кости p-n-перехода варикапа от величины обратного напряжения при достаточно большом начальном значении этой емкости.

В отличие от воздушных или керамических конденсаторов пере­менной емкости, имеющих сложную конструкцию и подвижные эле­менты, подверженные износу, варикапы представляют собой твер­дое кристаллическое тело, в котором управление емкостью осуществ­ляется не взаимным перемещением отдельных элементов или частей, а приложенным напряжением. Это делает срок службы варикапов практически неограниченным и обеспечивает возможность их ис­пользования в различных устройствах автоматической подстройки частоты, следящих устройствах, и в схемах автоматики без примене­ния электрического привода.

Варикапы характеризуются следующими основными параметра­ми: общая емкость С_В — емкость, измеренная между выводами ва­рикапа при заданном обратном напряжении; коэффициент перекры­тия по емкости К_С — величина, показывающая, во сколько раз мо­жет быть изменена емкость варикапа в диапазоне рабочих значений обратного напряжения; максимально допустимое обратное напряжение ∆U_{ОБР. MAX}; максимально допустимая рассеиваемая мощность P_В.MAX.

В табл. 5 приводятся значения этих параметров для некоторых типов варикапов.

Значение общей емкости С_В в зависимости от типа варикапа за­ключено в пределах от 2 до 600 пФ при коэффициенте перекрытия от 2,5 до 18 и максимально допустимой рассеиваемой мощности вплоть до 7 Вт.

Таблица 5

Тип варикапа	Св, пФ	Uобр, B	Кс	рв. max, мВт	Uобр.тах, B	∆T, °C
КВ109Б	2–2,3	25	4,5–6,5	5	25	–40÷ +85
КВ110А	12–18	4	2,5	100	45	–60÷ +125
КВ106А	20–50	4	4	7000	120	–55÷-+100
КВ107В	30–65	2–9	1,5	100	5,5–16	–40÷ +70
КВ114А	54–82	4	4,5	10	150	–60÷+125
КВ104Е	95–143	4	2,5	100	45	–40÷ +85
КВ116	170–250	1	18	5	10	–60÷ +85
КВ105А	400–600	4	3,8	150	90	–60÷ +100