Какие существуют способы термокомпенсации параметров стабилитрона

Какие существуют способы термокомпенсации параметров стабилитрона

Термокомпенсация

При термокомпенсации по схеме на рис. 17 — 53 необходимо при расчете дь Яд пер, ЯД2 учесть дополнительное напряжение компенсирующих р-п переходов, для чего в формулах ( 17 — 109) необходимо в авзменателе вычесть из 1 / вых. [31]

Соединение термокомпенсация и перемычка зависит от условий титрования и выполняется заранее лаборантом. [32]

Для термокомпенсации контролируемой среды параллельно электродам Rt. Благодаря этому температурный коэффициент сопротивления параллельной цепи Rx — Rw значительно снижается по сравнению с температурным коэффициентом раствора и приближается к температурному коэффициенту термометра сопротивления Rf, но имеет противоположный знак. Таким образом, общее сопротивление цепи ( электродной ячейки) Ra п очти не изменяется при колебаниях температуры контр олируемого раствора. [34]

Для термокомпенсации контролируемой среды параллельно электродам гх включено шунтирующее сопротивление гт ( например, из манганина), обладающее низким температурным коэффициентом. [36]

Возможна термокомпенсация кремниевых стабилитронов при помощи последовательно включенных терморезисторов, однако при этом сильно увеличивается выходное сопротивление стабилизатора и нарушается условие температурной компенсации из-за, нелинейности изменения на — / пряжения на терморезисторе. [37]

Для термокомпенсации изменения частоты в двух точках диапазона необходимо иметь, по крайней мере, два элемента контура, ТК которых выбирают. [38]

Для термокомпенсации тока покоя при изменении температуры выходных транзисторов включено термосопротивление R1, расположенное на радиаторе. [39]

Для термокомпенсации изменения частоты контура обычно используют стандартные керамические конденсаторы с отрицательным ТКЕ. [41]

Идея термокомпенсации состоит во внесении в схему элемента, приводящего с ростом температуры к увеличению отрицательного потенциала базы ТУ, который уменьшился под действием ТКН опорного стабилитрона, включенного в обратном направлении. [42]

Способ термокомпенсации зависит от конкретной схемы включения датчика. [44]

Условием термокомпенсации является равенство нулю результирующего температурного коэффициента стабилизатора. [45]

Как уже говорилось, метод параметрической стабилизации базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада.

В качестве примера рассмотрим схему с эмиттерно-базовой стабилизацией, приведенную на рис. 3.15. В этой схеме при правильном выборе терморезисторов можно добиться хорошей компенсации температурных колебаний параметров транзистора. Но применение терморезисторов не всегда удобно, да и понятие «правильный выбор» часто требует уточнения. Поэтому для начала проясним, что же происходит с биполярным транзистором при колебаниях температуры.

Рис. 3.15. Схема с эмиттерно-базовой стабилизацией с терморезисторами в делителе напряжения

При росте температуры из-за уменьшения падения напряжения на (p)-(n)-переходах транзистора также растут и токи через эти переходы. Особенно сильно увеличиваются токи ( _0) и ( _0), определяющие режим работы каскада по постоянному току. На рис. 3.16 представлены графики, отражающие влияние температуры на статические характеристики каскадов с ОЭ и ОБ.

Рис. 3.16. Влияние температуры на статические характеристики транзистора

Из представленных характеристик видно, что для сохранения неизменным выходного тока ( _0) необходимо по мере роста температуры снижать напряжение начального смещения ( >_0). В схеме на рис. 3.15 для этого служат терморезисторы, но очевидной является возможность использования других полупроводниковых приборов с температурной зависимостью падения напряжения на них. Например, в схеме на рис. 3.17 в цепь делителя включен прямосмещенный эмиттерный переход транзистора (VT2) со свойствами, аналогичными свойствам транзистора (VT1). Т.е., когда температура растет и требуется снижение напряжения смещения ( >_0), это осуществляется за счет уменьшения падения напряжения ( >_0) на эмиттерном переходе транзистора (VT2).

Рис. 3.17. Термокомпенсация с помощью дополнительного транзистора

Вместо транзистора (VT2) можно использовать и обычный диод в прямом включении, как показано на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Термокомпенсация с помощью прямосмещенного диода

При желании метод параметрической стабилизации применим и для нейтрализации других (нетемпературных) внешних влияний. Например, известно, что при низких температурах падают напряжения практически любых широко распространенных химических источников питания. Поэтому в носимой аппаратуре приходится учитывать влияние данного фактора, если мы хотим обеспечить ее работоспособность в широком диапазоне погодных условий.

Рассмотрим схему на рис. 3.18. При падении напряжения питания уменьшается значение тока ( _0) транзистора, а также незначительно снижается его начальное смещение ( >_0) (здесь следует учитывать, что прямосмещенный диод (VD1) работает как стабилитрон, т.е. напряжение на нем слабо зависит от величины протекающего тока). Поскольку снижается напряжение ( >_0) транзистора, снижаются и его усилительные способности как усилителя слабых переменных сигналов. Для компенсации всех этих факторов можно в цепь смещения транзистора включить еще один диод, как показано на рис. 3.19. Теперь при снижении температуры напряжение ( >_0) будет расти быстрее, чем это необходимо только для температурной компенсации изменений напряжений и токов в самом транзисторе. Будет компенсироваться также и падение напряжения питания, и коэффициент усиления каскада в целом останется неизменным. Очевидно, что падение напряжения на двух диодах может превысить предел, необходимый для напряжения ( >_0) используемого транзистора. Поэтому в цепь эмиттера обязательно включается резистор (R_Э), создающий также и ООС по току нагрузки, дополнительно стабилизирующую рабочую точку каскада.

Рис. 3.19. Термокомпенсация двумя диодами

На рис. 3.20 приведены еще некоторые возможные варианты включения термокомпенсирующих элементов в транзисторные каскады. Параметрическая стабилизация может использоваться не только в схемах с ОЭ. Никто не мешает нам применять нелинейные элементы и в любых других цепях смещения.

Рис. 3.20. Различные способы включения термостабилизирующих элементов в цепи смещения транзисторных каскадов

Стабилитрон :: Прецизионные стабилитроны

Термокомпенсированный стабилитрон

Термокомпенсированный стабилитрон — цепочка из последовательно соединённого стабилитрона на номинальное напряжение около 5,6 В и прямосмещённого диода — вошёл в практику разработчиков в конце 1960-х годов. К 2000-м годам дискретные термокомпенсированные стабилитроны были вытеснены интегральными источникам опорного напряжения, обеспечившими лучшие показатели точности и стабильности при меньших токах и напряжениях питания.

В окрестности напряжения 5,6 В лавинный механизм пробоя преобладает над туннельным, но не подавляет его, а его температурный коэффициент имеет стабильное положительное значение около +2 мВ/°C. ТКН диода в прямом включении при нормальных рабочих температурах и токах равен примерно -2 мВ/°C. При последовательном соединении стабилитрона и диода их температурные коэффициенты взаимно компенсируются: абсолютная нестабильность по температуре такой цепочки может составлять всего 5 мВ в диапазоне -55…+100 °C или 2 мВ в диапазоне 0…+75 °C. Нормированный ТКН таких приборов может составлять всего лишь 0,0005 %/°C, или 5 ppm/°C. Диодом термокомпенсированного стабилитрона может служить второй стабилитрон, включенный во встречном направлении. Такие симметричные двуханодные приборы, допускающие работу при любой полярности напряжения, как правило оптимизированы для работы на номинальном токе 10 мА, или для тока, типичного для данного семейства стабилитронов (7,5 мА для двуханодного 1N822 из стандартной серии 1N821-1N829). Если же диодом термокомпенсированного стабилитрона служит не стабилитрон, а «простой» диод с ненормированным напряжением пробоя, то эксплуатация прибора на прямой ветви вольт-амперной характеристики, обычно, не допускается.

Номинальное напряжение стабилизации типичного термокомпенсированного стабилитрона составляет 6,2 или 6,4 В при разбросе в ±5 % (в особых сериях ±2 % или %±1 %). В зарубежной номенклатуре наиболее распространены три шестивольтовые серии на номинальные токи 0,5 мА (1N4565-1N4569), 1,0 мА (1N4570-1N4574) и 7,5 мА (1N821-1N829). Номинальные токи этих серий соответствуют току нулевого ТКН; при меньших токах ТКН отрицательный, при больших — положительный. Дифференциальное сопротивление приборов на 7,5 мА составляет 10 или 15 Ом, приборов на 0,5 мА — не более 200 Ом. В технической документации эти особенности внутренней структуры обычно не раскрываются: термокомпенсированные стабилитроны перечисляются в справочниках наравне с обычными или выделяются в отдельный подкласс «прецизионных стабилитронов». На принципиальных схемах они обозначаются тем же символом, что и обычные стабилитроны.

Стабилитрон со скрытой структурой

Ток пробоя обычного планарного стабилитрона сосредоточен в приповерхностном слое кремния — в слое с максимальной концентрацией дефектов кристаллической решётки и посторонних примесей. Именно эти примеси и дефекты и обуславливают нестабильность и шум стабилитрона. Улучшить его показатели можно, если «загнать» ток пробоя вглубь кристалла, в скрытую структуру p-n-перехода с меньшим, чем в приповерхностном слое, напряжением пробоя. В классической эпитаксиальной технологии на месте будущего стабилитрона формируется глубокий островок p + -типа проводимости, а после проводится обычные диффузии базового (p — ) и эмиттерного (n + ) слоёв. Эмиттер созданной диодной структуры становится катодом стабилитрона, база — анодом. В приповерхностном слое этот переход имеет профиль проводимости n + -p — , а на дне базовой области — n + -p + . Высоколегированный n + -p + переход имеет меньшее, чем в приповерхностном n + -p — -слое, напряжение пробоя, поэтому весь обратный ток стабилитрона именно на дне базовой области.

Первая интегральная схема на стабилитронах со скрытым слоем, LM199, была выпущена в 1976 году, а абсолютный рекорд по совокупности точностных характеристик принадлежит выпущенной в 1987 году LTZ1000. Специально отобранные LTZ1000 используются в наиболее точных твердотельных эталонах напряжения компании Fluke, которая декларирует временную нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C. LM199, LTZ1000 и их аналоги имеют характерную концентрическую топологию. В центре кристалла расположен стабилитрон, непосредственно к нему примыкают транзисторы — датчики температуры, а вокруг них «уложена» спираль подогревателя, также выполненная по планарной технологии. Внешний или встроенный терморегулятор поддерживает постоянно высокую температуру кристалла. Такие ИС имеют рекордно низкие показатели ТКН (LM199 — 0,3 ppm/°C, LTZ1000 — 0,05 ppm/°C), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч). Заявленные показатели достигаются только при тщательном термостатировании и экранировании схемы и жёсткой стабилизации тока стабилитрона.

Источник:
http://rmi-laser.ru/info/kakie-sushhestvujut-sposoby-termokompensacii/

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Читайте также  Как сделать мастику своими руками из зефира: мастер-класс

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.


Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом


Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.


Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.


Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор


Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.


Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.


Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник:
http://www.electronicsblog.ru/silovaya-elektronika/stabilitron-parametricheskie-stabilizator-napryazheniya.html

Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона

Вольт-амперная характеристика — стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона ( рис. 2.5, в) имеет вид, типичный для прибора тлеющего разряда. Большая площадь катода позволяет получить значительный рабочий участок в пределах от / min — 5 ма до / тах 30 ма, а у некоторых стабилитронов — от 10 до 60 ма.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона ( рис. 2 — 33) аналогична характеристике обычного полупроводникового диода. Отличие состоит лишь в том, что пробой обратным напряжением не приводит к разрушению прибора, а является нормальным рабочим режимом. Если обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, меньше напряжения стабилизации t / CT, то сопротивление диода велико и ток по его цепи не протекает. При больших значениях напряжения через стабилитрон будет протекать ток, определяемый сопротивлением внешней цепи и разницей между приложенным напряжением и напряжением стабилизации.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона ( рис. 11 — 16, а) соответствует области пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода. Как было показано в § 10 — 5, напряжение в случае лавинного1 или туннельного пробоя зависит от удельного сопротивления полупроводников, образующих переход. Используя пластины п — Si с различной концентрацией примесей, можно изготовить стабилитроны с различными значениями Unp0e, соответствующими переходу в область лавинообразного роста обратного тока, а следовательно, и с различными значениями напряжения стабилизации. При использовании высоколегированного n — Si при напряжениях пробоя 27Проб 6 В преобладает туннельный пробой; при С проб — 5 — г — 7 В наряду с туннельным развивается и лавинный пробой, который при С / проб 7 В становится доминирующим.

Из вольт-амперной характеристики стабилитрона ( рис. 10 6) видно, что в пределах от / a.

Как выглядит вольт-амперная характеристика стабилитрона .

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона имеет такой же вид, как и у обычного диода. Падение прямого напряжения при токах, больших 1 ма, составляет около 0 7 — 0 8 в. Это свойство стабилитронов широко используется для взаимной компенсации температурных изменений напряжения стабилизации. У включенных последовательно стабилитрона, работающего в нормальном режиме, и одного или нескольких стабилитронов в прямом направлении суммарный температурный коэффициент напряжения может быть сведен практически к нулю. Например, для термокомпенсации одного стабилитрона с напряжением С / ст 8 — г — 8 5 в потребуются три стабилитрона, включенных в прямом направлении. По такому принципу изготавливаются особо стабильные стабилитроны с ТКН до 0 0005 %, не уступающие по свойствам нормальным элементам третьего-второго классов.

В прямом направлении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока через прибор падение напряжения на нем практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения.

В прямом направлении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов.

Таким образом, вид вольт-амперной характеристики стабилитрона обеспечивает необходимое изменение сопротивления Rv регулирующего элемента.

На рис. 5 — 40 представлена вольт-амперная характеристика стабилитрона , на которой видно, что при обратном включении стабилитрона при напряжении — 8 в в большом диапазоне таков от 1 до 20 ма напряжение на стабилитроне практически не меняется. На этом участке характеристики дифференциальное сопротивление Rz очень мало. Указанный участок характеристики может быть использован для стабилизации напряжения.

Читайте также  Как разобрать и смазать вентилятор системного блока

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото – принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото – характеристики полупроводников

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

7. Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона

Напряжение на обратной ветви ВАХ
стабилитрона в области электрического
пробоя слабо зависит от значения
проходящего тока. Вольтамперная
характеристика стабилитрона приведена
на рисунке 6.

Источник:
http://labstyle.ru/stabilitron/

Параметров стабилитронов

Дата добавления: 2015-09-15 ; просмотров: 4140 ; Нарушение авторских прав

Кирпичев В.Ф.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Исследование характеристик и

параметров стабилитронов

Составитель — ст. преподаватель КИРПИЧЕВ В.Ф.

Данные методические указания являются вторым изданием аналогичных указаний к лабораторной работе «Исследование характеристик и параметров стабилитронов», выпущенным в 1983 году.

Одобрено к переизданию на заседании кафедры Автоматизированных информационных

и вычислительных систем

11.11.2006 г., протокол №3.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Стабилитронами, или опорными диодами, называются такие дио­ды, у которых на вольтамперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от величины тока, протекающего че­рез диод. Этот участок наблюдается на обратной ветви вольтамперной характеристики кремниевого диода и обуславливается пробоем в p-n переходе (рис. I).

Рис. 1. Вольтамперные характеристики:

а – «высоковольтный» стабилитрон;

б – низковольтный стабилитрон;

Величина напряжения стабилизации (напряжение пробоя) определятся шириной

Низковольтные стабилитроны (рис. 1,б) изготавливают из сильнолегированного кремния, p-n переход в нем узкий и поэтому в таких диодах развивается туннельный пробой. При нагреве низковольтно­го стабилитрона вольтамперная характеристика смещается вправо (пунктир на рис. 1,б), т.к. температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен.

Туннельный пробой имеет место в стабилитронах с напряжением стабилизации менее 5В.

Увеличивая удельное сопротивление кремния, мы тем самым уве­личиваем ширину перехода и напряжение его пробоя (рис. 1,б). Это даёт возможность подбором удельного сопротивления кремния получать требуемые напряжения стабилизации. В стабилитронах с напря­жением стабилизации более 10В пробой лавинный. Температурный коэф­фициент лавинного пробоя положителен, поэтому при нагреве вольтамперная характеристика смещается влево (пунктир на рис. I, а).

Минимальный температурный коэффициент имеют стабилитроны с напряжением пробоя около 7В, в которых одновременно имеют место, как лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом напряжения пробоя, так и туннельный пробой с отрицательным темпе­ратурным коэффициентом.

Для стабилизации напряжений 0,7 ± 1,5 В используют прямую ветвь кремниевого диода (рис. 1, в). Кремниевые приборы, специаль­но предназначенные для этих целей, называются стабисторами. Температурный коэффициент напряжения стабисторов, как и обычных, прямосмещенных диодов, отрицателен (пунктир на рис. 1, в). Следует подчеркнуть, что стабистор включают в схему в прямом направлении, а стабилитрон — в обратном.

Стабилитроны характеризуются следующими основными параметра­ми:

1. Напряжение стабилизации Uст соответствует точке А на сере­дине рабочего участка (при протекании среднего тока Icp). Зна­чения напряжения стабилизации лежат в пределах от 3 до 100 В.

2. Максимальный и минимальный токи стабилизации Imax и Imin.

3. Среднее значение тока стабилизации

4. Разброс напряжения стабилизации — допустимое отклонение величины напряжения стабилизации от значения Uст.

5. Дифференциальное сопротивление в рабочей точке А (при среднем
значения тока стабилизации Icp)

Значения Ri лежат в пределах от долей Ома до сотен Ом.

6. Статическое сопротивление или сопротивление диода постоянному току в рабочей точке

7. Температурный коэффициент напряжения стабилизации

Минимальный ток Imin определяется гарантированной устойчивостью состояния электрического пробоя р-n перехода. Максимальный ток определяется отношением максимальной допустимой мощности к напряжению стабилизации

Наклон вольтамперной характеристики в рабочей точке А будет определять дифференциальное сопротивление стабилитрона Ri.

Чем больше эта величина, тем больше будет меняться напряжение на диоде при изменениях тока стабилизации, поэтому при создании стабилитронов стремятся достичь минимального значения.

Одним из наиболее важных параметров стабилитрона является температурный коэффициент напряжения. Он показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окру­жающей среды на один градус при постоянном значении тока. Иногда ТКН выражается в процентах [TKH, % = (∆Uст/∆Uст∆Т)·100]. Для компенсации положительного ТКН стабилитронов иногда применя­ют комбинацию из последовательно включенных в прямом направлении двух или более р-n переходов, имеющих отрицательный ТКН (рис. 1в, пунктир).

Схема стабилизатора напряжения в этом случае имеет вид, при­веденный на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения стабилитрона и компенсирующих диодов в параметрическом стабилизаторе напряжения.

Термокомпенсированные стабилитроны выпускаются и в виде диск­ретных приборов.

Кремниевые стабилитроны используются для стабилизации нап­ряжений источников питания, а также для фиксации уровней напря­жений (и токов) в схемах (отсюда и происходит второе название кремниевых стабилитронов «опорные диоды»).

2. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цель работы — исследование прямой и обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона применительно к использо­ванию в стабилизаторах напряжения.

В процессе работы снимается прямая и обратная ветвь вольтамперной характеристики при комнатной и повышенной температуре. На обратной ветви выбирается рабочая точка, в которой вычисля­ются основные параметры (Uст, Ri, R, TKH). На прямой ветви определяется температурный коэффициент напряжения стабилизации. Сравнивая (деля) температурные интервалы ∆Uст напря­жения при обратном (в точке А) и прямом (в точке B) смещении определяется количество термокомпенсирующих диодов.

3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Рис. 3. Схема для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона.

Рис. 4. Схема для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и стабистора.

4. ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Записать основные паспортные данные исследуемого стабилитрона (Uст, Imin, Imax, Ri, TKH).

Собрать схему для снятия обратной ветви вольтамперной характерис­тики (ряс. 3) и снять характеристику. Записать значение Uст при токе Icp.

Собрать схему для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики (рис.4) и снять характеристику. Записать значение прямого напря­жения Uпр при токе Iпр=Iср. Точки отсчета откладывать сразу на миллиметровке. Включить термостат, и через 15 минут снять прямую ветвь вольтам­перной характеристики при повышенной температуре. Записать значе­ние Uпр при токе Iпр=Iср.

Собрать схему для снятия обратной ветви (рис.3) и снять обратную характеристику при повышенной температуре. Записать значение Uст при токе Icр.

Записать значения комнатной температуры и температуры нагре­того термостата.

Построить прямые и обратные ветви при нормальной и повышен­ной температурах.

Рассчитать значение Ri, ТКH в рабочей точке обратной ветви ха­рактеристики.

Рассчитать ТКН на прямой ветви характеристики (при токе Iпр = Iср.) Оценить знаки ТКН на прямой и обратной ветви характеристики и оп­ределить количество компенсирующих диодов N

5. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1. Основные паспортные данные исследуемого прибора (тип, Uст, Imin, Imax, Ri, TKH)

2. Схемы экспериментов.

3. Краткое описание хода работы со ссылкой на используемые рисун­ки, таблицы.

4. График зависимости тока через прибор от прямого и обратного напряжения.

5. Расчет параметров исследуемого стабилитрона в рабочей точке А (Uст, Iср, Ri, R, TKH) на обратной ветви характеристики.

6. Расчет температурного коэффициента напряжения на прямой ветви характеристики в точке В при прямом токе Iпр = Iср.

7. Расчет количества термокомпенсирующих диодов N.

Все рисунки, графики, схемы, должны иметь сквозную нумерации по типу данного описания. Все таблицы также должны иметь нумерацию, заголовок и головку таблицы по типу:

Источник:
http://life-prog.ru/2_113036_parametrov-stabilitronov.html

Стабилитрон | Принцип работы и маркировка стабилитронов

Стабилитрон относится к одному из применяемых радиоэлектронных элементов. Каждый более-менее качественный блок питания содержит узел стабилизации напряжения, которое может изменяться при изменении сопротивления нагрузки либо при отклонении входного напряжения от номинального значения.

Читайте также  Простые бантики из бумаги, КАРАКУЛИ

Стабилизация напряжения выполняется главным образом с целью обеспечения нормального режима работы остальных радиоэлементов устройства, например микросхем, транзисторов, микроконтроллеров и т.п.

Стабилитроны широко используются в маломощных блоках питания либо в отдельных его узлах, мощность которых редко превышает десятки ватт.

Главное преимущество стабилитронов – их малая стоимость и габариты, поэтому они до сих пор не могут вытисниться интегральными стабилизаторами напряжения типа LM7805 или 78L05 и т.п.

Стабилитрон очень похож на диод, поскольку его полупроводниковый кристалл помещен в аналогичный корпус.

Условное графическое обозначение стабилитрона на чертежах электрических схем также похоже на обозначение диода, только со стороны катода добавлена короткая горизонтальная черточка, направленная в сторону анода.

Принцип работы стабилитрона

Рассмотрим принцип работы стабилитрона на примере схемы его включения и вольт-амперной характеристике. Для выполнения своей основной функции стабилитрон VD соединяется последовательно с резистором Rб и вместе они подключаются к источнику входного нестабилизированного напряжения Uвх. Уже стабилизированное выходное напряжение Uвых снимается только с выводов 2, 3 VD. Поэтому нагрузка Rн подключается к соответствующим точкам 2 и 3. Как видно из схемы, VD и Rб образуют делитель напряжения. Только сопротивление стабилитрон имеет не постоянно значение и называется динамическим, поскольку зависит от величины электрического тока, протекающего через полупроводниковый прибор.

Величина напряжения Uвх, подаваемого на стабилитрон с резисторов должна быть выше на минимум на пару вольт выходного напряжения Uвых, в противном случае полупроводниковый прибор VD не откроется и не сможет выполнять свою основную функцию.

Допустим, в какой-то произвольный момент времени на выходах 1 и 3 значение Uвх начало возрастать. В схеме начнут протекать следующие процессы. С ростом напряжения согласно закону Ома начнет возрастать ток, назовем его входным током Iвх. С увеличением ток возрастет падение напряжения на резисторе Rб, а на VD она останется неизменным (это будет пояснено далее на характеристике), поэтому и Uвых останется на прежнем уровне. Следовательно, прирост входного напряжения упадет или погасится на резисторе Rб. Поэтому Rб называют гасящим или балластным.

Теперь, допустим, изменилась нагрузка, например, снизилось сопротивление Rн, соответственно возрастет и ток Iн. В этом случае снизится ток, протекающий стабилитрон Iст, а Iвх останется практически без изменений.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона аналогично ВАХ диода и имеет две ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочей для диода, а обратная ветвь характеризует работу стабилитрона, поэтому он включается в электрическую цепь в обратном направлении (катодом к плюсу, а анодом к минусу) по сравнению с диодом. Поэтому стабилитрон называю опорным диодом, а источник питания с данным полупроводниковым элементом называют опорным источником напряжения. Такой терминологий будем пользоваться и мы.

На обратной ветви вольт-амперной характеристик опорного диода выделим две характерные точки 1 и 3. Точка 1 отвечает минимальному значению тока стабилизации, который находится в пределах единиц миллиампер. Если ток, протекающий через стабилитрон, будет ниже точки 1, то он не сможет выполнять свои функции (не откроется). В случае превышения тока выше точки 3 опорный диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому оптимальной точкой в большинстве случае будет точка посредине обратной ветви ВАХ, то есть точка 2. Тогда при изменении тока в широких пределах (смотрите ось Y) точка 2 будет изменять свое положение, перемещаясь вверх или вниз по обратной ветви, а напряжение будет изменяться незначительно (смотрите ось X).

Встречное, параллельное, последовательное соединение стабилитронов

Для повышения напряжения стабилизации можно последовательно соединять два и более стабилитрона. Например на нагрузке нужно получить 17 В, тогда, в случае отсутствия нужного номинала, применяют опорные диоды на 5,1 В и на 12 В.

Параллельное соединение применяется с целью повышения тока и мощности.

Также стабилитроны находят применение для стабилизации переменного напряжения. В этом случае они соединяются последовательно и встречно.

В один полупериод переменного напряжения работает один стабилитрон, а второй работает как обычный диод. Во второй полупериод полупроводниковые элементы выполняют противоположные функции. Однако в таком случае форма выходного напряжения будет отличается от входного и выглядит как трапеция. За счет того, что опорный диод будет отсекать напряжение, превышающее уровень стабилизации, верхушки синусоиды будут срезаться.

Маркировка стабилитронов

Маркировка наносится на корпус стабилитрона в виде цифр и букв (или буквы). Различают принципиально два разных типа маркировки. Стабилитрон в стеклянном корпусе имеет привычную для нас маркировку, непосредственно обозначающую номинальное напряжение стабилизации. Цифры могут быть разделены буквой V, выполняющую роль десятичной точки. Например, 5V1 означает 5,1 В.

Менее понятный способ маркировки состоит из четырех цифр и буквы в конце. Если вы не опытный радиолюбитель, то без даташита никак не обойтись. Для примера расшифруем параметры опорного диода серии 1N5349B. Больше всего нас интересует первый столбец, в котором приведено номинальное напряжение 12 В. Второй столбец – номинальное значения ток – 100 мА.

Катод стабилитрона любого типа обозначается кольцом черного или синего цвета, которое наносится на корпус со стороны соответствующего вывода.

Маркировка SMD стабилитронов

Наибольшее распространение получили опорные диоды в стеклянном корпусе и в пластмассовом корпусе с тремя выводами. Маркировка SMD стабилитрона в стеклянном корпусе состоит из цветного кольца, цвет которого обозначает параметры данного полупроводникового прибора.

Если вам встретился SMD стабилитрон с тремя выводами, то следует знать, что один вывод – это «пустышка», то есть он не задействован и применяется лишь для надежной фиксации элемента на печатной плате после пайки. Анод и катод такого экземпляра проще всего определить с помощью мультиметра.

Мощность рассеивания стабилитрона

Мощность рассеивания стабилитрона Pст характеризует его способность не перегреваться выше определенной температуры на протяжении длительного времени. Чем выше значение Pст, тем больше тепла способен рассеять полупроводниковый прибор. Мощность рассеивания рассчитывается для самых неблагоприятных условий работы прибора, поэтому в ниже приведенную формулу подставляют максимально возможное в работе Uвх и наименьшие значения и :

Существует ряд стандартных номиналом по данному параметру: 0,3 Вт, 0,5 Вт, 1,3 Вт, 5 Вт и т.п. Чем больше Pст, тем больше габариты полупроводникового прибора.

Как проверить стабилитрон

Проверить стабилитрон на предмет исправности довольно просто и быстро можно с помощью простейшего мультиметра. Для этого мультиметр следует перевести в режим «прозвонка», как правило, обозначенный знаком диода. Затем, если положительным щупом мультиметра прикоснуться анода, а отрицательным – катода, то на дисплее измерительного прибора мы увидим некоторое значение падения напряжения на pn-переходе. Поскольку к полупроводниковому прибору приложено прямое напряжение (смотрите прямую ветвь вольт-амперной характеристики), то опорный диод откроется.

Теперь, если щупы мультиметра поменять местами, тем самым приложить к выводам полупроводникового прибора обратное напряжение (смотрите обратную ветвь ВАХ), то он окажется заперт и не будет проводить ток. На дисплее измерительного прибора отобразится единица, обозначающая бесконечно высокое сопротивление.

Если в обеих случаях мультиметр покажет единицу или будет звенеть, то стабилитрон непригоден.

Источник:
http://diodov.net/stabilitron-printsip-raboty-i-markirovka-stabilitronov/

Стабилитроны

Если ограничить ток при туннельном и лавинном пробое, не допуская перехода в тепловой, то его состояние может поддерживаться долго и воспроизводиться бесконечное число раз. Приборы, рабо­тающие в области туннельного и лавинного пробоя, называются стабили­тронами, а напряжение пробоя – напряжением стабилизации, поскольку стабилитроны используются главным образом для стабилизации напря­жения. Напряжение стабилизации зависит от полупроводникового мате­риала и технологии его обработки. Изготавливают стабилитроны в основ­ном из кремния.
У стабилитронов с малым напряжением стабилизации (3–4 В) возникает туннельный пробой. У стабилитронов с напряжением ста­билизации более 7 В (более высокоомный полупроводник) возникает ла­винный пробой.
У стабилитронов с напряжением стабилизации 4–7 В имеет место одновременно туннельный и лавинный механизмы пробоя.

Основными параметрами стабилитронов являются: напряжение стаби­лизации Uст , минимальный и максимальный токи стабилизации Imin, Imax , динамическое сопротивление Rд=dUст/dIст , температурный коэффици­ент напряжения стабилизации ТКН=(dUст/UстdT)100% при Iст=const .

Минимальный ток стабилизации ограничивается неустойчивостью со­стояния пробоя при малых токах, максимальный – мощностью, которую может рассеять переход.

У стабилитронов с лавинным механизмом пробоя при малых токах на­блюдаются значительные шумы, которые объясняются тем, что состояние пробоя неустойчиво. Он то исчезает, то возникает вновь. При туннельном механизме пробоя шумы отсутствуют.

Динамическое сопротивление характеризует наклон ВАХ в режиме пробоя оси абсцисс. Типичные значения Rд=1-50 Ом.

Очень важным параметром является ТКН стабилитрона, характери­зующий температурную стабильность напряжения пробоя.

Знак температурного коэффициента напряжения стабилизации зависит от типа пробоя. При туннельном пробое знак ТКН отрицателен (с увеличе­нием температуры напряжение пробоя уменьшается), при лавинном – по­ложителен (рис. 3.3).

Объясняется это следующим образом. При воз­растании температуры несколько уменьшается ширина запрещенной зоны и поэтому облегчается туннельный переход валентных электронов в зону проводимости. Напря­жение туннельного пробоя умень­шается.

При лавинном пробое с увеличением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда. Чтобы они могли на меньшей длине приобрести энергию, достаточную для ионизации, необходимо уве­личить напряжение. Поэтому напряжение пробоя при этом механизме воз­растает с увеличением температуры.

Так как с увеличением температуры прямое падение напряжения на диоде уменьшается, то, соединив последовательно диод в прямом на­правлении и стабилитрон с лавинным механизмом пробоя, возможно осуществить термокомпенсацию напряжения стабилизации (рис. 3.4).

Такие стабилитроны имеют малый ТКН (10 -4 — 5·10 -6 1/K) и называются тер­мо­ком­пен­си­ро­ванными. Однако хорошая термокомпенсация возможна при определенном токе. Прямой ветвью ВАХ таких стабилитронов явля­ется ВАХ закрытого диода.

Источник:
http://meandr.org/archives/15627