§ 5. Стабилитроны.

Полупроводниковым стабилитроном называется Si диод, работающий в режиме электронного пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения.

Стабилитроны изготавливаются по особой технологии из кремния с низким удельным сопротивлением. Структура стабилитрона аналогична диоду (рис.1.1).

Если p-n-переход смещен в прямом направлении, характеристика стабилитрона похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.1.6).

Начиная с напряжения Uст стабилитрон работает в режиме электроческого (лавинного или туннельного) пробоя, в этом случае обратная ветвь характеристики (рис.1.6) почти параллельна оси токов I_обр. Если балластным сопротивлением ограничить величину обратного тока, то такой участок характеристики можно использовать для стабилизации напряжения на нагрузке. Нап­ряжение на рабочем участке характеристики ВА называется напряжением стабилизации. При значительном изменении тока (от минимального до максимального) напряжение стабилизации изменяется незначитель­но.

Изменения напряжения стабилизации определяются динамическим сопротивлением стабилитрона, которые обычно составляют единицы-десятки Ом:

R_д = U_ст / I_ст , (1.3)

где U_ст – приращение напряжения на участке стабилизации; I_ст - приращение тока на участке стабилизации.

Кроме низкого динамического сопротивления, кремниевые стабилитроны имеют ещё ряд преимуществ: малые габариты и вес, хорошую повторяемость величины напряжения стабилизации U_ст. Важной характеристикой стабилитрона является коэффициент стабили­зации:

∆U_ВХ ∕ U_ВХ

k_ст = —————— , (1.4)

∆U_СТ ∕ U_СТ

Величины Uвх,Uвх,Uст,Uст определяются из зависимостиUст =f(Uвх) (рис.1.7) на рабочем участке.

Применение Siв качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов объясняется малым значением и слабой зависимостью от температурыI_обр.уSiдиодов. Поскольку электронный пробой в диоде имеет место приU_обр., последнее является рабочим напряжением для стабилитрона.

На рис. 8а показана ВАХ Siстабилитрона, а на рис. 8б – схема стабилизации напряжения с помощью стабилитрона.

Точка 1 соответствует минимальному значению тока, при котором обеспечивается режим (стабилизации) электронного пробоя. Точка 3 соответствует максимально допустимой мощности, рассеиваемой диодом при обратном включение. Схема стабилизации рассчитывается так, чтобы при номинальном входном напряжении U_вх.через сопротивление нагрузкиR_н.протекал требуемый ток, при котором напряжение на нагрузке и стабилитроне было равно напряжению стабилизацииU_ст, а ток, протекающий через стабилитрон, равенI_ст.ср.(точка 2). Процесс стабилизации напряжения на нагрузке протекает следующим образом. Если, например,U_вх.повышается, тоR_VDпонижается, ток через него повышается, аU_VD(равноеU_ст.) на нем и на нагрузке почти не изменится. Излишек напряжения гасится на балластном сопротивленииR_б.

R_б.= (E_ср.–U_ст.) / (I_ср.+I_н)

где E_ср.= 0,5 (E_min +E_max) – среднее напряжение источника;

I_ср. = (I_min +I_max) – средний ток стабилитрона;

I_н=U_ст./R_н– ток нагрузки;

U_ст.стабилитрона зависит от удельного сопротивления базы (определяемого концентрацией примеси): чем больше удельное сопротивление базы, тем выше напряжение стабилизации. Промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации 3,3…180 В.

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_Бпостоянно и падение напряжения на нем, равноеE–U_ст., также постоянно, то и ток вR_Б, равныйI_ср. +I_{н ср.}, должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитронаIи токI_низменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, еслиI_нповышается, то токIна столько же понижается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанные на одинаковые токи (рис. 10).

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации k_ст., который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рис. 8б можно написать:

k_ст.=( ∆E/E) / (∆U_ст. /U_ст.) = (∆U_вх./U_вх.) / (∆U_вых./U_вых)

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить k_ст., равный нескольким десяткам. При каскадном соединении общий k_ст. равен произведению k_ст. отдельных звеньев (ячеек):

k_ст.= k_{ст. 1} · k_{ст. 2} · ….

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на R_Бвелики, особенно в схеме каскадного соединения.