Основи електроніки (стр. 8 )

Рис. 12

Стабілітрони. Як було показано, вольт-амперна характеристика напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка може бути використана для стабілізації напруги. Така ділянка у кремнієвих площинних діодів відповідає змінам зворотного струму в широких межах. При цьому до настання пробою зворотний струм дуже малий, а в режимі пробою, тобто в режимі стабілізації, він виходить таким же, як і прямий струм. В даний час випускаються виключно кремнієві стабілітрони багатьох типів. Їх також називають опорними діодами, так як отримуюча від них стабільна напруга в ряді випадків використовується в якості еталонної. На рис.12 дана типова вольт-амперна характеристика стабілітрона при зворотному струмі, що показує, що в режимі стабілізації напруга змінюється мало. Характеристика для прямого струму стабілітрона така ж, як у звичайних діодів. Кремнієві стабілітрони можуть бути виготовлені на малі напруги (одиниці вольт), а саме такі потрібні для живлення багатьох транзисторних пристроїв.

Основними параметрами кремнієвих стабілітронів є наступні величини.
 Напруга стабілізації Uст може бути приблизно від 5 до 200 В, зміна струму стабілітрона від Imin до Imax складає десятки і навіть сотні міліампер. Максимальна допустима потужність Pmax, розсіююча в стабілітроні, - від сотень мілліватт до одиниць ватт. Диференціальний опір RД=Δu/ Δi в режимі стабілізації може бути від десятих часток Ома для низьковольтних більш потужних стабілітронів до 100 - 200 Ом для стабілітронів на більш високі напруги. Низьковольтні стабілітрони невеликої потужності мають опір RД , рівне одиницям і десяткам Ом. Чим менше RД, тим краще стабілізація. При ідеальної стабілізації було б RД = 0. Так як RД є опором перемінному струму, то його не слід плутати зі статичним опором, тобто опором постійного струму Rо = u/i. Опір Rо завжди у багато разів більше RД. Вплив температури оцiнюється температурним коефіцієнтом напруги стабілізації ТКН, який являє собою відносну зміну напруги Uст при зміні температури на один градус, т. е.
 

Температурний коефіцієнт напруги може бути від 10-5 до 10-3 К-1. Значення Uст і знак ТКН залежать від питомого опору основного напівпровідника. Стабілітрони на напруги до 6 - 7 В виготовляються з кремнію з малим питомим опором, тобто з великою концентрацією домішок. У цих стабілітронах n-p-перехід має малу товщину, в ньому діє поле з високою напруженістю і пробою відбувається головним чином за рахунок тунельного ефекту. При цьому ТКН виходить негативним. Якщо ж застосований кремній з меншою концентрацією домішок, то n-p -перехід буде товщім. Його пробій виникає при більш високих напругах і є лавинним. Для таких стабілітронів характерний позитивний ТКН.
Найпростіша схема застосування стабілітрона показана на рис.13. Навантаження (споживач) включена паралельно стабілітрону. Тому в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні залишається майже постійна, така ж напруга буде і на навантаженні. Всі зміни напруги джерела Е при його нестабільності майже повністю поглинаються обмежувальним Резистором Rогр.

Найбільш часто стабілітрон працює в такому режимі, коли напруга джерела нестабільна, а опір навантаження Rн постійний. Для встановлення і підтримання правильного режиму стабілізації в цьому випадку опір Rогр повинен бути цілком визначеним. Зазвичай Rогр розраховують для

Рис. 13

Рис. 14

середньої точки Т характеристики стабілітрона. Якщо напруга Е змінюєт

Рис. 3-20

Рис. 3-21

ься від Еmin до Еnax , то можна Rогр знайти за наступною формулою:

 де Еср = 0,5 (Emin + Еmax) - середня напруга джерела; Iср = 0,5 {Imin + Imax) - середній струм стабілітрона; Iн= Uст / Rн - струм навантаження.
Якщо напруга Е стане змінюватися в ту або іншу сторону, то буде змінюватися струм

Рис. 3-21

Рис. 3-21

Рис. 3-20

стабілітрона, але напруга на ньому, а отже, і на навантаженні залишиться майже постійною.

Рис.13

Рис.14

Рис.15

Рис.15

Оскільки всі зміни напруги джерела повинні поглинатися обмеженим резистором, то найбільша зміна цієї напруги, рівна Еmax - Emin, повинна відповідати найбільшій можливій ​​зміні струму, при якій ще зберігається стабілізація, тобто Іmax - Іmin . Звідси випливає, що якщо значення Е змінюється на ΔЕ, то стабілізація буде здійснюватися тільки при дотриманні умови
 
  Стабілізація в більш широкому діапазоні змін Е можлива при збільшенні Rorp. Але з формули (3-18) випливає, що більша Rorp виходить при меншому Ін, тобто при більшому RH. Підвищення ЕСР також дає збільшення Rorp.

Іноді необхідно отримати стабільну напругу більш низьку, ніж дає стабілітрон. Тоді послідовно з навантаженням включають додатковий резистор, опір якого легко розрахувати по закону Ома (рис. 14).
Другий можливий режим стабілізації застосовується в тому випадку, коли Е = const, a Rн змінюється в межах від RHmin до RHmax. Для такого режиму Rorp можна визначити за середніми значеннями струмів за формулою
 

Рис. 17

Рис. 16

Рис. 3-24

Рис. 3-23

де Iн. ср = 0,5(IHmin + IHmax) причому Inmin = UCT/RHmax і Inmах = UCT/RHmin. Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки Rorp постійно і падіння напруги на ньому, рівне Е - UCT , також постійно, то і струм в Roгp, рівний Іср + Ін ср, повинен бути постійним. Але це можливо тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I і струм Ін змінюються однаковою мірою, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо Ін збільшується, то струм I на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.
Для отримання більш високих стабільних напруг застосовується послідовне з'єднання стабілітронів, розрахованих на однакові струми (рис.15). Внаслідок розкиду характеристик і параметрів окремих екземплярів стабілітронів даного типу їх паралельне з'єднання з метою отримання більших струмів не рекомендується. Воно допускається тільки за умови, що сумарна потужність, що розсіюється на всіх стабілітронах, не перевищує граничної потужності одного стабілітрона.
Для підвищення стабільності напруги може застосовуватися схема каскадного з'єднання стабілітронів (рис. 16), в якій стабілітрон Д1 повинен мати більш високу Uст, ніж стабілітрон Д2.

Ефективність стабілізації напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації kст, який показує, у скільки разів відноснa зміна напруги на виході схеми стабілізації менше, ніж відносна зміна напруги на вході. Для найпростішої схеми по рис. 13 можна написати
 

Практично напівпровідниковий стабілітрон може забезпечити kст, рівний декільком десяткам. А при каскадному з'єднанні (рис. 16) загальний коефіцієнт стабілізації дорівнює добутку коефіцієнтів стабілізації окремих ланок (осередків) - і вже при двох ланках досягає декількох сотень.
Недолік розглянутих схем стабілізації полягає в тому, що є значні втрати потужності в самому стабілітроні і на Rorp, в результаті чого сильно знижується ККД. Втрати особливо великі в схемі каскадного з'єднання.
Слід ще зазначити, що якщо мають місце пульсації напруги Е, то стабілітрон значно згладжує їх. Це пояснюється тим, що стабілітрон володіє малим опором перемінного току. Воно зазвичай у багато разів менше Rovp. Тому велика частина напруги пульсацій поглинається в Rorp, а на стабілітрон і на навантаженні буде лише мала частина цієї напруги.

Варикапи. Варикап - це напівпровідниковий діод, ємність якого керується зворотною напругою, і який призначений для застосування як елемент з електрично керованою ємністю. Схема вмикання варикапа наведена на рисунку 18.