Стабилитроны. 
Электротехника, электроника и схемотехника

Полупроводниковый стабилитрон (рис. 11.4, а) — это диод, у которого в рабочем режиме используется обратная ветвь его ВАХ (рис. 11.4, б), причем на участке, соответствующем электрическому пробою.

Рис. 11.4. Полупроводниковый стабилитрон:

а — условное изображение; б — ВАХ стабилитрона Различают два вида пробоя полупроводникового диода:

• 1) электрический пробой, не приводящий к выходу прибора из строя, когда после снятия обратного напряжения диод возвращается в исходное состояние;
• 2) тепловой пробой (прибор сгорает).

Электрический пробой возникает под действием сильного обратного электрического поля. При этом наиболее энергичные электроны разгоняются до скорости, достаточной для выбивания электронов из нейтральных атомов. В свою очередь, освобожденные электроны также приобретают очень высокую скорость. Этот процесс принимает лавинообразный характер и ведет к резкому нарастанию обратного тока (на несколько порядков).

Тепловой пробой. Значительный рост обратного тока вызывает увеличение температуры диода, а следовательно, дополнительную генерацию электронно-дырочных пар, способствующую дальнейшему росту тока. Возникает новый лавинообразный процесс, называемый тепловым пробоем. Во избежание перехода электрического пробоя в тепловой величина обратного тока не должна превышать некоторого наибольшего допустимого значения *_СТ1Пах. Другими словами, мощность, рассеиваемая на диоде, не должна быть больше допустимой величины.

Важнейшей особенностью рассматриваемого полупроводникового прибора в режиме электрического пробоя является малое дифференциальное сопротивление. Это равносильно наличию на его ВАХ участка, где большим изменениям тока соответствуют очень малые изменения напряжения. На рис. 11.4, б это режимы между точками Aw В (участок стабилизации).

Основные параметры стабилитронов, приводимые в справочниках:

• 1) напряжение стабилизации и_сг0 (соответствует примерно середине участка стабилизации — точка N на рис. 11.4, б). Режим, определяемый точкой N (u_cr0, /_ст0), называется номинальным;
• 2) минимальный ток z_CTmin, при котором наблюдается устойчивый электрический пробой. Этой величиной задается нижняя граница участка стабилизации (точка А на рис. 11.4, б);
• 3) максимально допустимый ток стабилизации i_CTmax, при котором рассеиваемая на диоде мощность не приводит к переходу электрического пробоя в тепловой (точка В на рис. 11.4, б, определяющая верхнюю границу участка стабилизации);
• 4) дифференциальное сопротивление прибора в режиме стабилизации (номинальном).

Полупроводниковые стабилитроны выполняют на основе кремния. У германиевых диодов электрический пробой легко переходит в тепловой, поэтому для изготовления стабилитронов германий не используется. Кремниевые стабилитроны, выпускаемые промышленностью, рассчитаны на напряжение стабилизации от 5 до 400 В и мощностью от 250 мВт до 50 Вт.

Схема простейшего стабилизатора напряжения со стабилитроном изображена ниже на рис. 11.5, а. Это четырехполюсник, включенный между источником входного напряжения и сопротивлением нагрузки. Сопротивление R_C), называемое балластным или ограничительным, выполняет две функции:

Рис. 11.5. Стабилитрон:

а — схема стабилизатора напряжения; 6 — ее графический расчет для случая R_n = оо.

• 1) ограничивает ток через стабилитрон, что предотвращает переход электрического пробоя в тепловой;
• 2) принимает на себя «излишки» напряжения, возникающие при изменении напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Обеспечиваемое схемой стабилизатора качество стабилизации оценивается по величине коэффициента стабилизации.

где м_и0 и и_вх0 соответствуют номинальному режиму (точка N на рис. 11.4, б).

Пример 11.1. Для стабилизатора постоянного напряжения (рис. 11.5, а) известны: величина балластного сопротивления R₍= 100 Ом; ВАХ стабилитрона (задана графически на рис. 11.5, б). Координаты крайних точек участка стабилизации Л и В, а также точки N, соответствующей номинальному режиму: точка ^А — «ermin = ^{5 В}— Vrmm = ^{10 мА}! ^{ТОЧКа В} ~ «стах = 6,1 В, i_CTmax = 60 мА; ТОЧКЭ N — и»₀ = 5,8 В, г_ст0 = 30 мА.

Определить, в каких пределах может изменяться напряжение на входе, обеспечиваемое источником ЭДС Е, чтобы напряжение на нагрузке соответствовало участку стабилизации А В на ВАХ стабилитрона. Рассмотреть два случая: 1) R_n R₆ (принять R_n —*? оо); 2) R_it = 400 Ом. Для R_H = 400 Ом вычислить коэффициент стабилизации К^.

Решение

Случай 1. Графический способ. При R_H —* °° источник входного напряжения Е, сопротивление R₆ и стабилитрон включены последовательно. Режим нелинейного элемента определяется точкой пересечения его ВАХ и прямой и = Е — iR_C). Ее наклон не зависит от величины Е.

Поэтому на рис. 11.5, б построена прямая (1) по уравнению и = -iR₍₎. Прямые (2) и (3) проведены через крайние точки участка стабилизации А и В параллельно прямой (1). Отрезки, отсекаемые прямыми (2) и (3) по оси напряжения, определяют соответственно минимальное Е_тш и максимальное Е_тах значения входного напряжения. Таким образом:

Аналитический способ. Для нижней границы участка стабилизации (точка Л):

Для верхней границы участка стабилизации (точка В)

Случай 2 (R_tt = 400 Ом). Графический способ. По отношению к стабилитрону остальная схема является линейным активным двухполюсником. На рис. 11.6, а изображена его последовательная схема замещения, включающая источник ЭДС и линейный резистор. Для нее:

Рис. 11.6. Расчет стабилизатора напряжения для случая R_u = 400 Ом:

По условию задачи величина R_nx неизменна и равна.

а — эквивалентная схема для расчета режима стабилитрона; б — ее графический расчет.

Величина w_vv = Е——- = 0,8? — изменяется при изменении Е. ^хх 400 + 100.

Графическое решение для этого случая аналогично предыдущему и приведено на рис. 11.6, б. Прямая (Г) на рис. 11.6, б построена по уравнению и = -i/?_BX, где R_BX = 80 Ом. Прямые (2') и (3') проведены параллельно прямой (Г) через точки А и В на ВАХ стабилитрона. По отрезкам, отсекаемым прямыми (2') и (3') на оси напряжения, находим w_xxmin = 5,5 В; w_xxmax = 11 В.

Из соотношения, связывающего величины Е и и_хх, получаем.

Номинальный режим обеспечивается при.

Величина м_хх0 определена по отрезку, отсекаемому на оси напряжений прямой (4'), проведенной через точку N на рис. 11.6, б.

Коэффициент стабилизации равен.

Аналитический способ. Нижняя граница участка стабилизации (точка А):

Верхняя граница участка стабилизации (точка В):

Пример 11.2. Цепь на рис. 11.5, а питается от источника постоянной ЭДС Е= const = 16 В. В каких пределах может изменяться сопротивление нагрузки, чтобы напряжение па нагрузке, поддерживаемое стабилитроном, не выходило за пределы участка стабилизации на ВАХ стабилитрона (рис. 11.5, в).

Решение

Хотя графический путь решения поставленной задачи возможен, аналитический способ здесь представляется более целесообразным (менее трудоемок). Нижняя граница участка стабилизации (точка А):

• ток через балластное сопротивление.

• ток через сопротивление нагрузки.

• соответствующее сопротивление нагрузки.

Верхняя граница участка стабилизации (точка В):

Ответ. R_Hmin = 50 Ом; Л_нпаж = 150 Ом.