Полупроводниковые стабилитроны. 
Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны

Режим электрического пробоя р-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие диоды носят название полупроводниковых стабилитронов.

Их изготовляют из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис. 2.21. В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50—100 мкА. После точки, А ток резко возрастает и допустимая величина его Imах ограничивается лишь мощностью рассеяния.

Рmах: Imах = Рmах /Uст.

Допустимая рассеиваемая мощность Рmах определяется тепловым сопротивлением диода Rт, допустимой температурой перехода Tп mах и температурой окружающей среды Т0 в соответствии с соотношением (2.21):

Рmax = (Тп max — То)/RТ(2.48).

В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу диода из строя.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя р-n-перехода, зависит согласно соотношению (2.16) от концентрации примесей в р-n-структуре и лежит в пределах 4−200 В.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики (от Imin до Imах) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона (см. рис. 2.21):

rд = dU/dI = ?Uст/?Iст .

Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7−15 В и большой рабочий ток.

При использовании стабилитрона для стабилизации напряжения его включают параллельно нагрузке Rн (рис. 2.22). В неразветвленную часть цепи включают ограничительный резистор, сопротивление Rо которого должно быть значительно больше дифференциального сопротивления стабилитрона rд, (чем больше отношение Rо/rд, тем лучше стабилизация напряжения).

Если напряжение питания во время работы может изменяться самопроизвольно в обе стороны относительно некоторого значения Ео рабочую точку на характеристике стабилитрона выбирают посередине рабочего участка, т. е. берут ток стабилитрона в исходной точке:

Iст = (Imax + Imin)/ 2.

Для этого напряжение питания должно быть равно Ео = Uст + Rо (Iн + Iст).

Принцип стабилизации напряжения заключается в следующем. Пусть напряжение питания вследствие нестабильности изменяется в пределах ДЕо. Тогда напряжение на стабилитроне и нагрузке будет изменяться на величину ДUст, которая, как видно из рис. 2.21, значительно меньше ДЕо. Из выражения (2.49) находим ДЕо = ДUст + Rо (ДIRн + ДIст) = ДUст + Rо[(ДUст/Rн) + (ДUст/rд)].

Отсюда.

ДUст = ДЕо/(1 + Rо/Rн + Rо/rд).

При Rо/rд >> 1 получаем, что ДUст << ДЕо, т. е. напряжение на выходе изменяется значительно меньше, чем напряжение на входе стабилитрона.

Стабилизация напряжения имеет место и при изменении сопротивления нагрузки. Пусть по этой причине ток нагрузки возрос на ДIн. Тогда напряжение на стабилитроне должно снизиться на RоДIн. Однако этого не происходит, так как сразу же резко уменьшается ток стабилитрона и результирующее изменение тока в неразветвленной цепи будет меньше изменения тока нагрузки:

ДIo = ДIн — ДIст.

При этом результирующее изменение напряжения нагрузки.

ДUст = Rо (ДIн — ДIст) (2.51).

получается меньше, чем при отсутствии стабилитрона.

Так как ДIст = ДUст/ rд, то, подставив выражение (2.51), найдем.

ДUст = RоДIн/(1 + Rо/rд).

Отсюда можно видеть, что стабилизация тем выше, чем больше отношение Rо/rд. Однако чрезмерное увеличение сопротивления сопряжено с большой потерей мощности в нем и поэтому является невыгодным.

При использовании стабилитрона в прецизионных стабилизаторах Необходимо учитывать, что напряжение стабилизации Uст зависит от температуры. Температурный коэффициент напряжения стабилизации в соответствии с выражением (1.1).

ТКU = 1/Uст (ДU/ДT).

лежит в пределах 0,1% на 1 ^oС. Величина и направление зависят от напряжения стабилизации (рис. 2.23). Для напряжений ниже 5 В, соответствующих узким р-n-переходам, где преобладает туннельный пробой, ТКU отрицателен. Для напряжений выше 6 В, соответствующих более широким переходам, в которых основным становится лавинный пробой, ТКU положителен, так как при увеличении температуры снижается подвижность носителей заряда в переходе и для ударной ионизации, т. е. для лавинного пробоя, необходима большая величина напряженности электрического поля.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к включению последовательно со стабилитроном термозависимого резистора R (Т), имеющего обратный температурный коэффициент (см. рис. 2.22).

Для стабилитронов с положительным ТКU для этой цели обычно используют.

Риc. 2.23.

Р-n-переходы, включенные в прямом направлении. Подобные приборы с успехом применяют в качестве эталонных источников напряжения даже в переносной аппаратуре.

Чтобы получить большое напряжение стабилизации, стабилитроны включают последовательно, при этом для компенсации разброса параметров иногда необходимо подключать к ним уравнительные резисторы. Параллельное включение стабилитронов также допустимо, но, поскольку ток между ними вследствие разброса параметров распределяется неравномерно, во избежание повреждения среднюю мощность рассеяния на прибор следует брать значительно меньше величины, допустимой для одного прибора; кроме того, можно выравнять токи диодов с помощью резисторов, включенных последовательно с ними; при этом, однако, ухудшаются стабилизирующие свойства ввиду увеличения результирующего дифференциального сопротивления приборов.