Вольтамперная характеристика и параметры кремниевых стабилитронов

Принцип действия кремниевых стабилитронов.

Стабилизаторы напряжения с кремниевыми стабилитронами

Если к полу­проводниковому диоду приложить обратное напряжение, то в области электронно-дырочного перехода образуется запирающий слой, в котором практически отсутствуют носители зарядов. При малых значениях обратного напряжения наличие небольшого обратного тока объясняется тепловой ионизацией, вследствие которой образуются элементарные носители зарядов: электроны и дырки. Электроны при этом двигаются к плюсу внешнего ис­точника, а дырки - к его минусу. Чем больше величина приложенного обратного напряжения, тем быстрее в полупровод­нике движутся заряды. При некотором значении обратного на­пряжения, называемом пороговым напряжением U_пор, скорости носителей зарядов достигают такой величины, при которой столк­новение носителей зарядов с атомами полупроводника сопро­вождается расщеплением последних на электроны и положитель­ные ионы, которые в свою очередь при движении расщепляют другие атомы и т. д. Такой процесс называется ударной иониза­цией.

Некоторая неравномерность электрического поля в различ­ных точках электронно-дырочного перехода приводит к тому, что процесс ударной ионизации вначале происходит только в от­дельных наиболее слабых участках перехода и величина про­ходящего через диод тока не стабильна. В дальнейшем ударная ионизация охватывает все большие участки электронно-дыроч­ного перехода, при этом даже незначительные превышения порого­вого напряжения вызывают резкое увеличение проходящего че­рез диод тока. Вследствие рекомбинаций части носителей зарядов в самом полупроводнике процесс ударной ионизации не увели­чивается до бесконечности, а устанавливается на некотором опре­деленном уровне.

При уменьшении обратного напряжения процесс ударной ионизации прекращается и в полупроводниковом диоде вновь восстанавливается односторонняя электропроводность.

Рассмотренный процесс обратимого пробоя справедлив только для кремниевых диодов. В германиевых диодах из-за наличия дополнительной тепловой ионизации наступает так называемый необратимый тепловой пробой. В кремниевых диодах вследствие высокой температурной стабильности кремния теплового пробоя не наступает.

На рис. 23 изображена вольтамперная характери­стика кремниевого электронно-дырочного перехода. Отличитель­ной особенностью характеристики является постоянство напря­жения пробоя в широком диапазоне изменений обратного тока. Эта особенность позволяет использовать кремниевые диоды для стабилизации напря­жения.

Кремниевые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, носят название опорных диодов или крем­ниевых стабилитронов.

Рабочим участком является диапазон от I_min до I_max в области электрического пробоя – на этом участке КС обладает малым сопротивлением току – на этом участке большим изменения тока соответствует малые изменения напряжения.

Рисунок 23 - ВАХ электронно-дырочного перехода КС

R_б – ограничивает ток через КС, его величина рассчитывается

R_б =

U_с – напряжение сети

Одним из главных параметров стабилитрона является температурный коэффициент стабилизации напряжения _ст – он характеризует относительное изменения U_ст при изменении t⁰ окружающей среды на 1⁰ С.

_ст – положительное при лавинном пробое;

_ст – отрицательное при туннельном пробое;

Если необходимо поддерживать неизменным напряжение, большее по величине, чем номинальное установленного прибора, то можно последовательно соединить несколько стабилитронов (количество определится отношением необходимого стабилизированного напряжения к номинальному напряжению прибора).

Если поддерживать стабильным надо напряжение небольшой величины (в пределах 1В), то можно применять стабистор, рабочий участок которого выбирается на прямой ветви ВАХ.

Промышленностью выпускаются кремниевые стабилитроны типов Д808 - Д813. Эти стабилитроны могут быть использованы в стабилизаторах, рассчитанных на выходное напряжение от 7 до 14В.

Для получения более высоких стабилизированных напря­жений отечественной промышленностью освоено производство полупроводниковых кремниевых стабилитронов серии 2С (2С920А, 2С930А, 2С950А, 2С980А). Применение таких стабилитронов по­зволяет получить стабилизированные напряжения от 120 в (ста­билитрон 2С920А) до 180 в (стабилитрон 2С980А).

Схемы стабилизаторов напряжения с кремниевыми стабили­тронами. На рис.24изображена схема простейшего стабилизатора напряжения с применением кремниевого стабилитрона (КС).

При значениях входного напряжения, меньших порогового напряжения U _пор, ток, проходящий через стабилитрон, практи­чески равен нулю и стабилитрон оказывается запертым. При величине входного напряжения, равной пороговому значению, в стабилитроне начинается процесс ударной ионизации, сопровожда­емый увеличением тока. Дальнейшее повышение входного напря­жения приводит к тому, что напряжение на выходе стабилизатора изменяется незначительно, т. е. осуществляется стабилизация напряжения.

Рисунок 24. Схема включения КС

Величина сопротивления нагрузки R_н определяет минималь­ный ток стабилитрона, соответствующий началу стабилизации. Балластный резистор R₆ ограничивает наибольший ток стабили­трона при максимальном значении входного напряжения.

Выбор сопротивлений резисторов R₆ и R_н обусловливается диапазоном изменений входного напряжения и величиной пре­дельно допустимого тока для взятого типа стабилитрона. Обычно величина максимального тока, проходящего через стабилитрон, бе­рется значительно меньше его предельно допустимого значения. Объясняется это тем, что при большом токе наблюдается разо­грев стабилитрона, вследствие чего изменяется величина его порогового напряжения, а это приводит к изменению величины номинального выходного напряжения.

Коэффициент стабилизации определяется как от­ношение относительного изменения напряжения на входе ста­билизатора к относительному изменению напряжения на его выходе, т. е.

величина коэффициента стабилизации будет выше при условии, что ВАХ балластного сопротивления пересекает ВАХ стабилитрона в рабочей точке (I_ном) и чем больше значение сопротивлений резисторов R_б и Rн.

Более высокий коэффициент стабилизации дает мостовая схема, изображенная на рис. 25, а. Эта схема обладает идеальными ста­билизирующими свойствами в том случае, когда характеристика зависимости напряжения на стабилитроне от входного на­пряжения и характеристика зависимости напря­жения на сопротивлении R_э от входного напряжения в рабочем диапазоне имеют одинаковую крутизну. В этом легко убедиться, если обратиться к графику, изображенному на рис. 25, б.

Рисунок 25 Мостовая схема стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном (а); характеристика стаби­лизации напряжения (б)

В практических условиях для точной настройки стабилизатора резистор R_э делается переменным. Изменением величины этого сопротивления удается получить одинаковую крутизну харак­теристик и тем самым обеспечить высокую точность стабилизации.

На рис. 26 дана схема стабилизатора переменного напряже­ния.

Рисунок 26 Схема стабилизатора переменного напряже­ния

В стабилизаторе применена схема моста, в одном плече ко­торого включены встречно-последовательно два кремниевых ста­билитрона: КС₁ и КС₂. Эти стабилитроны работают поочередно, при этом работа каждого из них продолжается в течение одного полупериода приложенного напряжения. Схема дает значитель­ные искажения формы напряжения, получающиеся в основном за счет третьей гармоники. Для подавления третьей гармоники на выходе стабилитрона обычно ставится фильтр. В этом случае на выходе фильтра получается стабилизированное напряжение, имеющее практически неискаженную форму.

Для повышения рабочего напряжения до нужной величины во всех рассмотренных схемах вместо одного кремниевого ста­билитрона может быть включено несколько стабилитронов последовательно. Качество всей последовательной цепочки стабилитро­нов при этом равно качеству одного стабили­трона. Использование параллельного включения
кремниевых стабилитронов для повышения мощности рассеяния не дает желаемого результата, так как в этом случае весь ток будет проходить через стабилитрон, имеющий наи­меньшую величину порогового напряжения. Подобрать стабилитроны с абсолютно одинаковыми значениями порогового напряжения практически невозможно. В практических схемах иногда применяется переменно-параллельное включение двух или даже трех кремниевых стабилитронов, однако такое вклю­чение производится не для повышения мощности рассеяния, а иск­лючительно с целью увеличения надежности работы стабилизатора.

Дата добавления: 2014-12-10