Реферат на тему стабилитрон

Обновлено: 08.07.2024

Изучение схемы практического применения электрического пробоя p-n-перехода для стабилизации напряжения. Характеристика параметров, описание устройства и действие стабилитронов - полупроводниковых диодов, работающих при обратном смещении в режиме пробоя.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	21.07.2013
Размер файла	152,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Структура и элементы схемы измерительной цепи. Изучение конструкции и принципов работы полупроводниковых стабилитронов. Их главные параметры и критерии измерения. Исследование оценка изменения параметров стабилитронов от внешних факторов (температуры).

лабораторная работа [706,8 K], добавлен 25.06.2015

Полупроводниковые приборы. Выпрямительные свойства диодов. Динамический режим работы диодов. Принцип действия диода. Шотки, стабилитроны, стабисторы, варикапы. Туннельные диоды. Обращённый диод. Статическая характеристика и применение обращённого диода.

реферат [515,0 K], добавлен 14.11.2008

Характеристика свойств и параметров полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов и стабилитронов. Расчет стабилизаторов напряжения, выпрямителей с емкостным фильтром. Выбор стандартного трансформатора. Определение коэффициента полезного действия.

курсовая работа [2,3 M], добавлен 19.02.2013

Анализ электрических характеристик интегральных схем и модели их элементов. Моделирование диодов на основе р-п-перехода в программе PSPICE: эмиссия, температурный потенциал, напряжение пробоя, диффузионная емкость, вольтфарадная характеристика.

реферат [432,2 K], добавлен 13.06.2009

Предельные эксплуатационные параметры полупроводникового прибора КД409А. Поиск напряжения пробоя транзистора. Электрический расчет схемы автоколебательного симметричного мультивибратора. Полупроводниковые диоды, их виды, конструкция и параметры.

Стабилитроны – приборы тлеющего и коронного разряда. Наиболее распространены стабилитроны тлеющего разряда, работающие в режиме нормального катодного падения. В последнее время они все чаще заменяются полупроводниковыми стабилитронами.

Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему, не используется, его не показывают на вольт-амперной характеристике стабилитрона (рис. 1).

рис. 1 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Точку возникновения разряда А отмечают на вертикальной оси. К тому же миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.

Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным током I_min максимальным I_max . При токе, меньшем I_min разряд может прекратиться. Ток I_max либо соответствует началу режима аномального катодного падения, либо при нем достигается предельная мощность.

Скачок тока при возникновении разряда может быть различным в зависимости от сопротивления R _огр . Если оно большое, то появляется сравнительно небольшой ток, а если малое, то возникает большой ток и точка Б перемещается к точке В . Для режима стабилизации это невыгодно, так как участок стабилизации напряжения БВ сокращается. При малом сопротивлении R _огр может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограниченный резистор с достаточным сопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерного возрастания тока и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.

Чем больше площадь катода, тем больше участок стабилизации БВ, так как ток I_min остается неизменным, а ток I_max возрастает пропорционально площади катода. Поэтому у стабилитронов катод с большой площадью поверхности. Анод делают малых размеров, но он, конечно, не должен перегреваться от тока I_max .

Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроны с цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служить проволочка диаметром 1,0 – 1,5 мм. Баллон наполнен смесью инертных газов (неон, аргон и гелий) под давлением в тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба).

Основные параметры стабилитрона: нормальное рабочее напряжение, или напряжение стабилизации U _ст , соответствующее средней точке участка стабилизации (см. рис. 1), напряжение возникновения разряда U_в , минимальный и максимальный ток I_min и I_max , изменение напряжения стабилизации ∆ U _ст и внутреннее сопротивление переменному току R_i . Если требуется пониженное напряжение U _ст , то поверхность катода с внутренней стороны активируется, чтобы облегчить эмиссию электронов под ударами ионов. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение U _ст . Напряжение U _в обычно превышает напряжение U _ст не более чем на 20 В. Для снижения напряжения U _в на внутренней поверхности катода имеется проводник, уменьшающий расстояние между катодом и анодом. Без него стабилитрон работал бы на восходящей (правой) части характеристики возникновения разряда (см. рис 2).

рис. 2 Характеристика возникновения разряда

В пределах области стабилизации напряжение U _ст изменяется на значение ∆ U _ст , которое не превышает 2 В. Работа стабилитрона с током выше I_max не рекомендуется, так как ухудшается стабилизация и электроды перегреваются. Внутреннее сопротивление стабилитрона переменному току (дифференциальное сопротивление) R_i =∆ u_a /∆ I_a и значительно меньше сопротивления постоянному току R ₀ . Если бы стабилизация была идеальной (U _ст = const ), то сопротивление R_i было бы равно нулю.

У отечественных стабилитронов напряжение стабилизации бывает от 75 В до нескольких сотен вольт, ток I_min обычно 3 –5 мА, а I_max – несколько десятков миллиампер.

Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов электроды цилиндрической формы из никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит от давления газа, которое обычно составляет тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба). Напряжение U _ст при этом несколько сотен вольт. Рабочие токи в пределах 3 –100 мкА. Внутреннее сопротивление переменному току сотни килоом. Процесс возникновения разряда длится 15 – 30 с. В последнее время выпущены стабилитроны коронного разряда, оформленные в керамических баллонах, на напряжение в десятки киловольт.

Стабилитрон соединяют параллельно с нагрузкой R _н , а последовательно включают резистор R _огр (рис. 3).

рис. 3 Схема включеня стабилитрона

Нагрузкой является тот или иной потребитель (например, анодные цепи и цепи экранных сеток какого-либо усилителя и т. д.), который нужно питать стабильным напряжением. Напряжение источника Е должно быть выше напряжения стабилизации U _ст и достаточным для возникновения разряда в стабилитроне. Чем выше напряжение Е , тем выше должно быть сопротивление R _огр , и тогда стабилизация сохраняется при изменении напряжения Е в более широких пределах. Но при большем ограничительном сопротивлении КПД схемы снижается, так как потери мощности в стабилитроне и резисторе R _огр могут оказаться выше полезной мощности потребителя. Поэтому стабилитроны применяют только для установок небольшой мощности, в которых снижение КПД не так важно, как в мощных установках.

Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когда сопротивление нагрузки неизменно (R _н = const ), напряжение источника нестабильно (E = var ). В этом случае происходит следующее. Когда напряжение источника повышается, то увеличивается ток стабилитрона и почти все изменение напряжения приходится на долю резистора R _огр . Напряжение на стабилитроне и на нагрузке почти постоянно (лишь незначительно возрастает), если изменение тока стабилитрона не выходит за пределы режима нормального катодного падения.

Расчет сопротивления R _огр делают по закону Ома. Если напряжение Е изменяется в обе стороны от среднего значения Е_ср , то

R _огр =(Е_ср - U _ст )/( I _ср + I _н ) ,

где I _ср – средний ток стабилитрона, ровной 0,5( I_min + I_max ) , а I _н – ток нагрузки, I _н = U _ст / R _н .

Значение Е_ср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как

После расчета R _огр следует проверить, сохранится ли стабилизация при изменении напряжения от E_min до E_max . Это делается следующим образом.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Лабораторная работа №1

Цель работы: изучение принципа действия стабилитрона, освоение методики расчета схемы параметрического стабилизатора напряжения.

1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Кремниевые стабилитроны

Стабилитрон — полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смешении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n - переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое рис. 1.1. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n - переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и увеличение обратного тока. Участок 1-2 рис. 1.1 является рабочим участком вольтамперной характеристики.

Рисунок 1.1 – Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона.

Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации Ucт, равное напряжению пробоя. Шкала напряжений у промышленных стабилитронов лежит в пределах 3—180 В.

Точка 1 на характеристике соответствует минимальному току стабилитрона 1ст.min , при котором наступает пробой. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона Iст.max, достижение которого еще не грозит тепловым пробоем р- n- перехода. Iст.max ограничивается величиной максимальной мощности рассеяния Рmax.

Параметром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона Показателем зависимости напряжения стабилизации от температуры служит температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) Он определяет изменение напряжения стабилизации при изменение температуры окружающей среды на 1°С, выраженное в процентах. Для кремниевых стабилитронов ТКН может быть положительным и отрицательным. При туннельном характере пробоя ТКН имеет положительный знак, а при лавинном — отрицательный знак. Для уменьшения ТКН последовательно со стабилитроном включают полупроводниковые диоды, имеющие противоположный знак ТКН.

Полупроводниковые стабилитроны применяются в основном в стабилизаторах напряжения.

1.2 Параметрические стабилизаторы напряжения

Существуют два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В параметрических стабилизаторах используется постоянство напряжения стабилитрона при изменении протекающего по нему току. Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 1.2 Она состоит из балластного резистора RБ и стабилитрона VD. Нагрузка подключается параллельно стабилитрону.

Дестабилизирующими факторами схемы являются изменения напряжения источника питания Е изменения сопротивления Rн (тока IН ) нагрузки.

Приведем основные соотношения, необходимые для расчета параметров стабилизатора.

Главным при расчете стабилизатора является выбор типа стабилитрона на напряжение нагрузки Ucт=Uн и обеспечение условий его работы, при которых изменяющийся в процессе работы ток стабилитрона Iст не выходил бы за пределы рабочего участка, т. е. не был меньше Icт.min и больше Iст.мах рис. 1.1.

Основные соотношения токов и напряжений ползаем, воспользовавшись первым и вторым законом Кирхгофа:

Полупроводниковый стабилитрон – это диод, предназначением которого является стабилизация напряжения на нагрузке за счет работы в режиме электрического пробоя. Для изготовления стабилитрона в кристалл с проводимостью n-типа добавляют акцепторные примеси диффузионно-сплавным или сплавным методом. В качестве акцепторных примесей могут использовать алюминий, получая, таким образом, электронно-дырочный p-n переход. После получения данного перехода кристаллы стабилитрона заключают в герметичный корпус из стекла, металла или пластика.

При прямом включении характеристика стабилитрона практически не будет иметь отличий от характеристики диода, а вот вольт-амперная характеристика при обратном подключении имеет существенную особенность – в режиме электрического пробоя стабилитрон будет иметь практически неизменное напряжение в довольно большом диапазоне токов. Именно это свойство стабилитронов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения на нагрузке. Как и любой элемент, стабилитрон тоже имеет свои основные параметры:

Напряжение стабилизации U_ст – падение напряжения, возникающее при протекании через стабилитрон тока номинального I_ст;

Минимальный стабилизационный ток – это ток, необходимый для возникновения электрического пробоя в элементе;

Максимальный стабилизационный ток – предельный ток, при котором электрический пробой не перерастет в тепловой;

Максимальная мощность рассеивания – предельная мощность, при которой в p-n переходе не произойдет теплового пробоя;

Дифференциальное сопротивление – отношения напряжения стабилизации к току стабилизации R_диф = ∆U_ст/∆I_ст. Такое сопротивление может колебаться от долей Ома (низковольтные стабилитроны), до тысяч Ом (для высоковольтных устройств);

Температурный коэффициент стабилизации – можно выразить как отношение изменившегося напряжения стабилизации к номинальному значению стабилизационного напряжения , а также и к флюктуации температуры окружающей среды:

Стабилитроны могут быть изготовлены на напряжения от нескольких единиц вольт до нескольких сотен. Мощные же полупроводниковые устройства данного типа, с номинальными токами в несколько ампер, устанавливаются на охладители, для лучшего теплообмена. Также могут выпускаться устройства с несколькими, а точнее с двумя, анодами для реализации процесса стабилизации как напряжений имеющих положительную полярность, так отрицательную.

Полупроводниковый стабилитрон — это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости — разрушительного саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен.

Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния и арсенида галлия.

Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой широко применяются в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения (ИОН), в том числе в наиболее требовательных к стабильности напряжения схемах измерительных аналого-цифровых преобразователей. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона [38] .

В прошлом стабилитроны выполняли и иные задачи, которые впоследствии потеряли прежнее значение:

Ограничение, формирование, амплитудная селекция и детектирование импульсов. Ещё в эпоху электронных ламп кремниевые стабилитроны широко применялись для ограничения размаха импульсов и преобразования сигналов произвольной формы в импульсы заданной полярности. С развитием интегральных технологий эту функцию взяли на себя устройства на быстродействующих компараторах, а затем цифровые процессоры обработки сигналов.
Стабилизация напряжения переменного тока также сводилась к ограничению размаха синусоидального напряжения двусторонним стабилитроном. При изменении входного напряжении амплитуда выходного напряжения поддерживалась постоянной, а его действующее значение лишь незначительно отставало от действующего значения входного напряжения.
Задание напряжений срабатывания реле. При необходимости установить нестандартный порог срабатывания реле последовательно с его обмоткой включали стабилитрон, доводивший порог срабатывания до требуемого значения. С развитием полупроводниковых переключательных схем сфера применения реле сузилась, а функцию управления реле взяли на себя транзисторные и интегральные пороговые схемы.
Задание рабочих точек усилительных каскадов. В ламповых усилителях 1960-х годов стабилитроны использовались как замена RC-цепочек автоматического смещения. На нижних частотах звукового диапазона и на инфразвуковых частотах расчётные ёмкости конденсаторов таких цепей становились неприемлемо велики, поэтому стабилитрон стал экономичной альтернативой дорогому конденсатору.
Межкаскадный сдвиг уровней. Сдвиг уровней в ламповых усилителях постоянного тока обычно осуществлялся с помощью газонаполненных стабилитронов или обычных неоновых ламп. C изобретением полупроводниковых стабилитронов они стали применяться вместо газонаполненных. Аналогичные решения применялись и в транзисторной аппаратуре, но были быстро вытеснены более совершенными схемами сдвига уровней на транзисторах.
Стабилитроны с высоким ТКН использовались как датчики температуры в мостовых измерительных схемах. По мере снижения напряжений питания и потребляемых мощностей эту функцию приняли на себя прямо смещённые диоды, транзисторные PTAT-цепи и интегральные схемы на их основе.

Стаби́стор (ранее нормистор) — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Последовательное соединение двух или трёх стабисторов даёт возможность получить удвоенное или утроенное значение напряжения стабилизации. Некоторые типы стабисторов представляют собой единый набор с последовательным соединением отдельных элементов.

Стабисторам присущ отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть напряжение на стабисторе при неизменном токе уменьшается с увеличением температуры. В связи с этим стабисторы используют для температурной компенсации стабилитронов с положительным коэффициентом напряжения стабилизации.

Основная часть стабисторов — кремниевые диоды. Кроме кремниевых стабисторов промышленность выпускает и селеновые поликристаллические стабисторы, которые отличаются простотой изготовления, а значит, меньшей стоимостью. Однако селеновые стабисторы имеют меньший гарантированный срок службы (1000 ч) и узкий диапазон рабочих температур.

Читайте также: