3. Основные параметры и характеристики стабилитрона [1]

Основная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1:

Рисунок 1 - Вольт – амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

К параметрам стабилитрона, определяемым по его ВАХ относятся:

U_ст.ном – номинальное напряжение стабилизации, измеренное при некотором среднем (номинальном) токе стабилитрона I_ст.ном;

U_ст.min – минимальное напряжение стабилизации, измеренное в начале прямолинейного участка обратной ветви ВАХ;

I_{ст. min} – минимальный ток, при котором измеряется U_ст.min – определяется процессом установления ударной ионизации (шумы исчезают) и ещё большим r_диф;

U_ст.max – максимальное напряжение стабилизации при токе I_ст.max;

I_ст.max – максимально допустимый обратный ток стабилитрона, ограниченный предельно допустимой мощностью рассеяния на стабилитроне Р_ст.max.

При токе, не превышающем I_ст.max, стабилитрон может работать неограниченно долго. Значение предельно допустимой рассеиваемой мощности для полупроводниковых стабилитронов находится в диапазоне от сотен милливатт до единиц ватт.

Один из важнейших параметров стабилитрона – дифференциальное сопротивление – характеризует наклон его ВАХ в области пробоя:

r_д = ≈ r_д = = при I_ст = const.

Дифференциальное сопротивление идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к нулю, в реальных приборах величина r_д имеет значение 2–50 Ом. По ВАХ стабилитрона находится также его статическое сопротивление:

R_ст =

Влияние температуры на характеристики стабилитрона оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН или α_ст), который соответствует относительному изменению напряжения стабилизации U_ст при изменении температуры на 1 градус, т. е:

α_ст = ≈ , при I_ст = const

В стабилитронах с туннельным пробоем ТКН < 0 и может принимать значения от 10^–5 до 10^–3 К^–1 . Стабилитроны, работающие на основе лавинного пробоя, имеют положительный ТКН.

4. Электрическая схема замещения [2]

На рис. 2 представлена электрическая схема замещения стабилитрона, она такая же как и у диода. [2]

Рисунок 2 – Схема замещения стабилитрона

Эквивалентная схема стабилитрона (рис. 2) помимо сопротивления выпрямляющего электрического перехода r _p–n содержит последовательное сопротивление базы r_б, а также параллельно включенные сопротивление утечки r_у, барьерную C_бар и диффузионную C_диф емкости p–n-перехода, обусловленные пространственным перераспределением зарядов электронов и дырок при приложении внешнего напряжения к p–n-переходу, которые в сильной степени определяют быстродействие приборов.

5. Диапазон основных параметров реальных приборов (справочные данные) [3]

В таблице 1 представлены диапазоны изменения параметров стабилитронов для различных марок:

В таблице 2 представлены параметры различных стабилитронов:

6. Примеры применения прибора в электрической схеме [1,4 ,5]

Простейшая схема параметрического стабилизатора напряжения показана на рис. 3. [1]

Рисунок 3 – Схема включение стабилитрона

E_вх

I

I_н

Так как нагрузка включена параллельно стабилитрону, то в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом. Все изменения (пульсации) напряжения источника E_вх поглощаются балластным (ограничительным) резистором R_б. Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда входное напряжение источника Е_вх нестабильно, а сопротивление нагрузки R_н постоянно.

Из рис. 1: I = ; I_ст = I - I_н → I_ст = - I_н

Для нормальной работы стабилитрона:

I_{ст min’} = - I_{н max} > I_{ст min} и I_{ст max’} = - I_{н min} < I_{ст max}

Величину балластного сопротивления оценивают по выражению:

R_б =

Большинству электронных устройств требуется постоянное униполярное (земля, +U_п) или биполярное (земля, +U_п, -U_п) напряжение питания с достаточно хорошей стабильностью. Устройства, не имеющие автономного питания, получают энергию от сети переменного напряжения, через трансформатор и выпрямитель. На выходе выпрямителя наблюдаются существенные пульсации напряжения, которые можно устранить при помощи стабилитрона.

Схема стабилизации напряжения с управляемым транзисторным балластом показана на рис. 4 [4].

Рисунок 4 – Стабилизатор напряжения с транзисторным балластом

VT

Выходное напряжение, поддерживающее на нагрузке: U_вых = U_д – U_БЭ, U_БЭ ≈

0,65 В ≈ const – падение напряжения перехода с базы на эмиттер для кремниевого транзистора.

Ток через нагрузку: I_н = I_Э = I_Б + I_к = I_Б + βI_Б ≈ βI_Б

Мощность, выделяемая в транзисторе: P_VT = (U_вх – U_вых)I_н

Чем выше разность (U_вх – U_вых), тем надёжнее защита U_вых от случайных «провалов» входного напряжения, но, с другой стороны, тем выше P_VT, рассеиваемая балластным транзистором, и тем хуже КПД стабилизатора. КПД стабилизатора задают не менее 50 % → 2U_вых ≥ U_вх ≥ 1,25 U_вых

Одна из простейших схем последовательного компенсационного стабилизатора представлена на рис. 5. [5]

Рисунок 5 – Схема последовательного компенсационного стабилизатора

Здесь транзистор VT1 выполняет функцию регулируемого сопротивления, на управляющий вход которого (базу) поступает сигнал с транзистора VT2. В транзисторе VT2 потенциал эмиттера стабилизирован с помощью параметрического стабилизатора (стабилитрон VD1 вместе с резистором R1 и конденсатором C1), а напряжение на базе является частью выходного напряжения. Отклонение выходного напряжения от номинального изменяет исходное напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2, что в свою очередь сказывается на величине базового и коллекторного токов этого транзистора. Изменение коллекторного тока транзистора VT2 приводит, следовательно, к изменению потенциала коллектора VT2 и соответственно базы VT1. Изменение потенциала базы VT1 в свою очередь приведет к изменению сопротивления участка коллектор – эмиттер VT1, следовательно, и к изменению падения напряжения на нем. Таким образом, в транзисторе VT2 происходит сравнение эталонного напряжения с текущим значением выходного напряжения, т.е. выработка сигнала рассогласования и последующее его усиление. Меняя положение движка потенциометра R3, можно в определенных пределах менять величину номинального выходного напряжения.