Какая ветвь вах стабилитрона является рабочей

Исследование полупроводникового стабилитрона

Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, на которых напряжение сохраняется с определенной точностью при изменении протекающего через них тока в заданном диапазоне. Эти приборы предназначены для стабилизации напряжения. Участки ВАХ, соответствующие электрическим режимам стабилитронов и стабисторов в режиме стабилизации, называют рабочими. Рабочий участок стабилитрона расположен на обратной ветви ВАХ, т. е. прибор работает в режиме пробоя.

Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Принципиальное различие между этими видами пробоя состоит в том, что при электрическом пробое p-n переход сохраняет свою работоспособность, т.е. при определенных условиях этот пробой является обратимым.

Рис.1 Схемы включения стабилитрона

Рис. 2 Виды пробоя стабилитрона

Электрический пробой бывает двух видов: туннельный (или полевой, зелеровский, рис. 2а) и лавинный. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. просачивание электронов через потенциальный барьер, если его толщина мала. Он характерен для материалов с малой шириной области объемного заряда, т.е. возникает в p-n переходах, созданных на базе сильнолегированных полупроводников.

Лавинный пробой (рис. 2б) возникает в результате ускорения дырок и электронов, которые приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновениях с атомами полупроводника в области перехода разрывать в нем валентные связи, в результате чего может произойти лавинообразное возрастание новых пар электрон-дырка и лавинное возрастание обратного тока.

Тепловой пробой (рис. 2в) наступает вследствие выделения тепла в переходе при протекании обратного тока.

Стабилитроны используются также в качестве ограничителей постоянного или импульсного напряжения, элементов межкаскадной связи, источников эталонного напряжения и др.

На вольтамперной характеристике стабилитрона имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока (рис. 3). Такой участок ВАХ наблюдается у диода в режиме туннельного или лавинного пробоя (рис.2). До наступления пробоя стабилитроны имеют очень большое статическое сопротивление (порядка 1 МОм), после пробоя – очень малое дифференциальное сопротивление (R_D=1-50 Ом). Значение напряжения стабилизации U_СТ, определяемое видом пробоя, зависит от уровня легирования полупроводника и составляет от 3 до 200 В. Изготавливают стабилитроны, в основном, из кремния, обеспечивающего низкий ток насыщения.

Рис.3 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Для стабилизации малых напряжений (0,2 – 0,3 В для германиевого диода и 0,6 – 0,8 В для кремниевого диода) используют прямую ветвь характеристики диода. Принцип стабилизации виден из рис. 4, из которого следует, что при значительном изменении напряжения источника питания от U¢_n2 до U¢_n1 точка пересечения линии RC c характеристикой диода смещается ненамного, если прямая ветвь характеристики диода имеет большую крутизну (линия R – линия нагрузки).

Для стабилизации малых напряжений по описанному принципу применяются специальные диоды, называемые стабисторами. Напряжение стабилизации кремниевых стабисторов примерно равно 0,7 В.

Для стабилизации напряжений от нескольких единиц до десятков и сотен вольт (3 – 400 В) применяются стабилитроны или опорные диоды. Для стабилизации используется обратная ветвь характеристики диода при напряжении, соответствующем области пробоя.

Для изготовления стабилитронов используется кремний, т.к. обратный ток кремниевых диодов, по сравнению с германиевыми, меньше зависит от температуры и, следовательно, меньше вероятность теплового пробоя, а напряжение на участке пробоя почти не изменяется с изменением тока.

При увеличении U_ВХ, как только ток через диод становится выше J_СТmin напряжение на диоде перестает увеличиваться и становится равным U_СТ. Дальнейшее увеличение U_ВХ приводит лишь к росту падения напряжения на R. Поэтому напряжение на нагрузке R_n поддерживается неизменным.

Основными параметрами стабилитронов являются:

-номинальное напряжение стабилизации Uст.ном — среднее напряжение стабилизации стабилитрона при 298 о К при определенном токе стабилизации I_ст.;

-разброс напряжений стабилизации DU_ст. — интервал напряжений, в пределах которого находится напряжение стабилизации прибора данного типа;

-температурный коэффициент напряжения стабилизации α_Uст, показывающий, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации U_СТ при изменении температуры окружающей среды на 1 К;

-дифференциальное сопротивление r_ст, определяющее стабилизирующие свойства прибора и показывающее, как напряжение стабилизации зависит от тока:

-минимально допустимый ток стабилизации Iст min — минимальный ток через стабилитрон, при котором сохраняются его стабилизирующие свойства; при меньших значениях тока I_ст резко возрастает r_ст. и уменьшается Uст

-максимально допустимый ток стабилизации I_ст — максимальный ток, при котором прибор сохраняет работоспособность длительное время.

Рис. 5 Координатные оси

Значение температурного коэффициента напряжения стабилизации α_Uст и его знак зависят от напряжения U_ст.ном. Стабилитроны, напряжение стабилизации которых больше 5,5 В, имеют α_UCT > 0, т. е. при увеличении температуры напряжение DU_cтувеличивается. При напряжении U_cт.ном < 5,5 В стабилитроны имеют α _Uст < 0 и их напряжение стабилизации с увеличением температуры уменьшается. Стабисторы также имеют α и_ст < 0.

В стабилизаторах напряжения, работающих в широком диапазоне температур, используют прецизионные стабилитроны с внутренней термокомпенсацией, в которых последовательно их р-n переходу включен в прямом направлении обычный кремниевый p-n переход с отрицательным температурным коэффициентом прямого напряжения.

Дифференциальное сопротивление стабистора рассчитывают по формуле.

Задания:

1.Начертить табл. 1 и 2 для снятия прямой и обратной ветвей ВАХ стабилитрона.

Таблица 1

Прямой ток Uпр, мА	0,1	0,5
Прямое напряжение Uпр, В

Обратный ток Iст, мА	0,1	0,5
Обратное напряжение Uст, В

2. Начертить координатные оси для построения прямой и обратной ветвей ВАХ (масштаб по осям I_пр — в 1 см 2 мА;.U_пр — в 1 см 0,1 В; I_обр — в 1 см 2 мА; U_обр — в 1 см 1 В).

3. Начертить табл. 3 для записи результатов измерения нестабильности напряжения стабилитрона при изменении проходящего через него тока.

4. Зарисовать исследуемые электрические схемы

5. Собрать схему, используя графические обозначения, нанесенные на сменную панель. Снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона и занести результаты измерений в табл. 1.

6. Установить стабилитрон в обратном включении и занести результаты измерений в табл. 2.

7. Построить прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона в координатных осях.

8. Рассчитать дифференциальные сопротивления стабилитрона и стабистора.

Контрольные вопросы:

1. Какие участки ВАХ стабилитрона и стабистора называют рабочими?

2.Как изменяется напряжение стабилитрона при изменении протекающего через него тока?

3.Какие свойства стабилитрона оцениваются дифференциальным сопротивлением?

4.Почему стабилитрон и стабистор плохо работают при токах, меньших минимальных токов стабилизации?

5.Каковы основные параметры стабилитрона?

Методические рекомендации:

1. При выполнении п. 5 используют: G1 (ГТ) — генератор тока стенда;

РА1(I_пр) — АВ1на пределе измерения «10 мА»;

PV1((U_пр) — АВ2на пределе измерения «10В»;

VD1- стабилитрон Д814А или КС213.

2. При выполнении п. 6 используют: G2 (ГТ)- генератор тока стенда;

РA1(I_СТ) — АВ1 на пределе измерения «10 мА»;

PV1(U_CT) — AB2 на пределе измерения «10 В»;

3. Пункт 2 выполнить для обоих стабилитронов.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Стабилитроны и стабисторы. Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь

Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться.

ВАХ стабилитрона представлена на рис. 13. Для стабилитронов указывается два основных параметра:

Uст — напряжение стабилизации стабилитрона;

Iст.н – номинальный ток стабилитрона.

Рис.13 ВАХ стабилитрона

Uст=3,3. 170В. Для Uст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение Uст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов Iст.min=1. 3mА, Iст. max=30mA. Iст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот mA.

Стабисторы — это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ. ВАХ стабистора показана на рис. 14. Такая ВАХ создается технологически. Стабистор-диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.

Стабилитроны

Целью работы является изучение принципа работы, основных параметров и характеристик стабилитронов, а также исследование влияния рабочей температуры на их параметры. В работе снимаются вольт-амперные характеристики различных стабилитронов, определяются их параметры в рабочей точке. Определяется температурный коэффициент напряжения стабилизации.

2. Характеристики и параметры стабилитронов

Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь ВАХ, где происходит электрический пробой p–n-перехода и наблюдается слабая зависимость напряжения наp–n-переходе от величины протекающего тока (рис. 2.1). Под действием сильного поля в областиp–n-перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ используют для стабилизации или фиксации уровней напряжения.

Uобр uст iст мин iст iст макс Рабочая точка I

Рис. 2.1. Рабочий участок вольт-амперной

Основными параметрами стабилитронов являются следующие:

– напряжение стабилизации , при заданном токе стабилизации:

– дифференциальное сопротивление в рабочей точке

.

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем лучше стабилизирующие свойства прибора;

– максимальный и минимальный ток стабилизации: ,. Если, то возрастаети стабилизации напряжения не происходит. Привозникает значительный перегрев стабилитрона и возможен выход его из строя;

– температурный коэффициент напряжения стабилизации

.

Применение стабилитронов хорошо иллюстрируется в простейшей схеме стабилизации напряжения (рис. 2.2). Резистор задает ток

Рис. 2.2. Схема простейшего стабилизатора

в общей цепи , который изменяется пропорционально нестабилизированному входному напряжению. Поскольку при изменении тока стабилитрон обеспечивает постоянное напряжение, то на выходе получим стабилизированное напряжение.

Различные типы стабилитронов имеют величину напряжения стабилизации = 3.5 – 400 В.

3. Механизмы пробоя

В p–n-переходе могут существовать три вида пробоя: лавинный, туннельный и тепловой. Последний является необратимым.

3.1. Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя сходен с механизмом ударной ионизации в газах. Лавинная генерация электронно-ды-рочных пар происходит в области пространственного зарядаp–n-пере-хода, где напряженность электрического поля составляет10 4 В/см.При этом возникает резкое возрастание токаp–n-перехода. Вольт-ам-перная характеристика в области лавинного пробоя описывается выражением

, (2.1)

где – значение обратного напряжения, при котором происходит лавинный пробой (breakdown-пробой);– значение обратного тока при;– коэффициент, определяемый типом проводимости базы. Для кремниевыхp + –n-переходов3.5.

Множитель называется коэффициентом лавинного умножения

.

Напряжение лавинного пробоя связано с концентрацией примеси в базе стабилитрона следующим соотношением:

, (2.2)

где – ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;– концентрация примеси в базе стабилитрона, см –3 ;– напряжение лавинного пробоя, В.

Выражение (2.2) позволяет рассчитать концентрацию носителей в базе по заданному напряжению лавинного пробоя.

Напряжение лавинного пробоя возрастает с увеличением температуры. Это объясняется тем, что с ростом температуры уменьшается длина свободного пробега носителей из-за более интенсивного рассеяния их на колебаниях атомов кристаллической решетки. Поэтому для достижения условия пробоя требуется приложить большее напряжение.

3.2. Туннельный пробой. Представления о туннельном пробоеp–n-перехода основаны на квантово-механическом туннелировании электрона из валентной зоны полупроводникаp-типа в зону проводимости полупроводникаn-типа (рис. 2.3) под действием приложенного обратного напряжения. Такой механизм называется механизмом электростатической ионизации или эффектом Зенера. Вероятность туннелированияэкспоненциально зависит от ширины потенциального барьера

, (2.3)

где – коэффициент пропорциональности.

С ростом обратного напряжения величина уменьшается. При достижении напряженности электрического поля в кремниевомp–n-переходе= 1.410 6 В/см вероятность туннелирования возрастает и наблюдается резкое возрастание тока черезp–n-переход. Посколь-

Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост

Эта статья была мной ранее (24 августа 2020 года) опубликована на канале Разумный мир в Яндекс.Дзен. Однако, последние изменения в Дзен привели к необходимости переноса статей на другие ресурсы. Статья публикуется с небольшими изменениями.

Сегодня выпускается много разных интегральных линейных стабилизаторов напряжения и кажется, что обычные стабилитроны отошли на второй план. А если все таки нужен стабилитрон, то можно взять TL431. Так? Не совсем так. Стабилитроны по прежнему используют, хоть область их применения и сузилась. А TL431, при всех его плюсах, иногда бывает избыточен. Да и стоит дороже, что иногда бывает важным. Но сегодняшняя статья не об этом. Мы оставим в стороне споры о том, стоит ли использовать стабилитроны, как они работают, как устроены. Поговорим о некоторых практических аспектах их применения.

Это статья из серии «электроника для начинающих». Опытные любители электроники вряд ли найдут здесь для себя что то полезное или интересное. А профессионалам она точно будет не интересна. Для понимания статьи достаточно знаний школьной программы в физике и математике.

Казалось бы, зачем снова рассказывать о том, что «устарело» и «давно всем известно»? Однако, как показывает практика, известно все таки не всё и не всем. И у новичков неизменно возникает множество вопросов. Особенно у тех, кто хочет достичь понимания, а не довольствуется чтением статей вроде «как рассчитать балластный резистор для стабилитрона». Да и не устарели стабилитроны. Давайте попробуем разобраться в некоторых особенностях применения стабилитронов. Без высшей математики и физики полупроводников, но относительно подробно. Сразу уточню, что описываемое в статье применимо и для стабилитронов, и для стабисторов, и даже для TL431. И даже для защитных TVS диодов.

Небольшое примечание по стабисторам. В этих диодах рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ. И отсутствует обратимый пробой. За исключением этого нюанса, описанное в статье применимо и к стабисторам.

Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления

Не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но нам все таки нужно от чего то отталкиваться, что бы разговор был предметный.

Поскольку схема совершенно стандартная, я не буду ее подробно описывать. Но нам потребуется тот факт, что потребляемый от источника напряжения Е ток равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки. Исходя из этого обычно приводят формулу для расчету сопротивления балластного резистора

В этой формуле все верно. Просто записанная в таком виде она многое не учитывает. Напряжение источника E, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки Iн считаются известными и заранее заданными. А вот ток через стабилитрон Iст предлагается выбирать. Тут то у новичков и возникают вопросы. И ответ на вопрос, а какой же ток выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд. Да, можно просто сказать, например, 3-5 мА будет хорошим выбором. И у новичка тут же возникает еще один вопрос, а почему именно такой ток?

Вполне закономерный вопрос. К тому же, такой простой совет может быть и неверным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо малым. Для этих стабилитронов нужно выбирать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие раритеты? Вот вам пример посвежее. Для 1SMA5918BT3G нужен ток не менее 65 мА. Что бы понять, почему так происходит мы должны повнимательнее посмотреть на ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и разобраться с понятием дифференциального сопротивления. Для начала.

Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление

Давайте нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе, и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции так же не соблюдаются. Разными цветами показаны три основных области.

В области обратно-смещенного перехода стабилитрон ведет себя как обычный диод при подаче обратного напряжения. У стабисторов рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ, поэтому на ВАХ будет не область обратно-смещенного перехода, а область прямо-смещенного перехода при малых напряжениях. Понятно, что эта область не является рабочей для стабилитронов, а значит и интереса для нас не представляет. В справочных данных на стабилитроны обычно приводится значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.

В переходной области начинают проявляться эффекты связанные с обратимым пробоем. Часто считается, что пробой возникает мгновенно, однако это не так. Переходная область может быть довольно большой, например, у низковольтных стабилитронов. В качестве отдельного участка ВАХ эту область выделяют не всегда.

Рабочая область является основной используемой, как и следует из ее названия. Я показал ее почти линейной, но в реальности линейной она не является. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует паспортному значению напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст. Для рабочей области определяются еще две точки. Первая соответствует минимальному току Iстмин через стабилитрон, при котором рабочая точка еще находится в рабочей области. Вторая соответствует максимальному току Iстмакс через стабилитрон, при котором рассеиваемая стабилитроном мощность не превышает предельной. Понятно, что ток Iст через стабилитрон должен лежать в пределах между Iстмин и Iстмакс. Но обратите внимание, что я показал рабочую область не строго вертикальной. И это соответствует реальности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочей области, в общем случае.

Обратите внимание, что на графике ВАХ координатные оси это напряжение и ток. А значит, прямая линия, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно не любая линия, а та, для которой положительное приращение тока соответствует положительному приращению напряжения. А если это не прямая линия, а кривая? Как наша ВАХ. Как вы знаете, кривую можно аппроксимировать отрезками прямых. Да, не только прямых, но давайте это не будем рассматривать, нам это не потребуется. Каждый отрезок прямой определяется по двум точкам, (U0,I0) и (U1,I1), лежащими на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциального (разностного сопротивления).

Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки ВАХ. Если дифференциальное сопротивление определяется не на постоянном, а на переменном токе, то его физический смысл не изменяется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз посмотрим на наш пример ВАХ

Хорошо видно, что для точки (U1,I1) дифференциальное сопротивление больше, чем для точки (U2,I2). А это означает, что небольшие отклонения тока через стабилитрон во второй точке дадут меньшие отклонения напряжения стабилизации, чем в первой точке. Что это для нас означает? Скоро узнаете. Но сначала давайте посмотрим на ВАХ реально выпускаемых стабилитронов BZX84.

Здесь показаны кривые для стабилитронов с разным напряжением стабилизации. В документации приводятся напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (тестовый ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией. Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют большее дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1кГц). А это значит, гораздо большую зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон.

Немного подробнее о стабилизации

Давайте вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая приводилась в начале статьи. В общем случае, у нас может изменяться напряжение источника Е и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке должно, в идеальном случае, оставаться неизменным. Это и есть стабилизация. Мы можем ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне

Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление влияние изменения тока нагрузки.

Давайте рассмотрим сначала влияние изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого вспомним, что ток через стабилитрон равен разности потребляемого от источника Е тока и тока нагрузки. Ток нагрузки у нас постоянный. Поэтому изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон. Для упрощения предположим, что стабилитрон идеальный, а значит его напряжение стабилизации не изменится. Поэтому

Теперь вспомнив, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации соответствующее изменению входного напряжения.

Собственно говоря, мы подтвердили ранее сделанное утверждение, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит, и влияние изменений входного напряжения. Тем меньше коэффициент стабилизации.

Давайте немного посчитаем для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5.1 В при токе 5 мА. Пусть у нас входное напряжение будет 10 В, а ток нагрузки равен 0.5 мА. Сопротивление балластного резистора при этом будет равняться 890 Ом. Предположим, что входное напряжение увеличилось на 2 В, на сколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)? Типовое значение дифференциального сопротивления для BZV55C5V1 при токе 5 мА составляет 40 Ом. То есть, выходное напряжение изменится на 0.09 В. В худшем случае, если дифференциальное сопротивление будет равно 60 Ом, изменение составит уже 0.135 В. Даже в худшем случае изменение составит лишь 2.65% от номинального выходного напряжения.

А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно равняться 3.27 кОм. Типовое дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет равняться 400 Ом (480 Ом максимум). Теперь у нас выходное напряжение изменится на 0.24 В (0.29 В в худшем случае). А это уже 4.71% (5.69% в худшем случае).

То есть, от выбора рабочего тока через стабилитрон весьма существенно зависит стабильность напряжения стабилизации. При токе 5 мА у нас получается коэффициент стабилизации 7.56, а при токе 1 мА лишь 3.52. Если мы будет рассматривать влияние тока нагрузки, то придем к таким же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это самостоятельно, в качестве упражнения.

Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления. Слишком малый ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Если сейчас вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из его паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73.5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартно советуемый ток 5 мА будет для него слишком мал. А вот для BZV55C5V1 он вполне подходит.

В общем случае, дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть много меньше балластного сопротивления и много меньше сопротивления нагрузки. Это создает проблемы при входном напряжении близком к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, который имеет дифференциальное сопротивление 0.2 Ом (0.5 Ом в худшем случае). Однако, тут есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2.5 В. Проблема с малым сопротивлением нагрузки может быть решена использованием, например, эмиттерного повторителя. Что приводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного стабилизатора. Без сомнения, вы эту схему отлично знаете.

Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них приводилось дифференциальное сопротивление для определенного тока через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда задавался минимальный ток стабилизации (во всяком случае, в отраслевых справочниках такое было).

Еще раз о расчете балластного сопротивления

Теперь мы лучше представляем себе выбор оптимального тока через стабилитрон. Но расчет балластного сопротивления все еще не учитывает некоторые, довольно важные, факторы. Во первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, то нет и необходимости в стабилизации. Во вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным, или может считаться таковым. Например, если стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения для компаратора, то током нагрузки можно вообще пренебречь.

Что бы учесть влияние этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо после расчета балластного сопротивления для номинального входного напряжения и номинального тока нагрузки провести дополнительную проверку.

Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Нужно проверить, что бы ток через стабилитрон для выбранного Rб не превышал максимально допустимого. Причем с некоторым запасом. Минимальный ток через стабилитроне будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Нужно проверить, что бы ток через стабилитроне не был меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, что бы рабочая точка находилась в рабочей области, а дифференциальное сопротивление было достаточно малым.

Улучшения/ухудшения

Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне не раз пытались улучшить. Пожалуй, наиболее известно предложение вместо Rб использовать стабилизатор тока. Например, заменив резистор на полевой транзистор с p-n переходом включенный как двухполюсник. Вы без сомнения видели подобные схемы не один раз. Идея здесь проста — стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а его дифференциальное сопротивление велико. Это существенно повышает коэффициент стабилизации. Собственно, тут не важно, какой именно стабилизатор тока используется, вполне можно использовать и токовое зеркало.

Но не стоит забывать, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически ухудшить ситуацию при переменной нагрузке. Поскольку стабилизатор тока в этом случае может стать дополнительным дестабилизирующим фактором. Подумайте, почему, и в каких ситуациях, это может произойти.

ТКН (температурный коэффициент напряжения)

Напряжение стабилизации, как и следовало ожидать, зависит от температуры. Для низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. То есть, напряжение стабилизации снижается с ростом температуры. Для высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но у стабилитронов есть и островок стабильности, который расположен примерно вокруг напряжения стабилизации 5.5 В. Выпускаются и термостабильные стабилитроны, которые можно использовать при работе в большом диапазоне температур.

Но нужно учитывать еще один момент, о котором нередко забывают. Стабилитрон при работе нагревается от рассеиваемой им мощности. Причем температура кристалла может быть ощутимо выше температуры корпуса. А это приводит к дополнительному изменению напряжения стабилизации.

Заключение

Пожалуй, на сегодня достаточно. Я коснулся, упрощенно, очень небольшой части касающихся использования стабилитронов вопросов. Той части, которая наиболее важна для новичков и в части практического использования, и для понимания работы стабилитронов. Остались в стороне вопросы частотных свойств, емкости, временной стабильности. Остались в стороне интересные варианты схем включении. Например, когда выходным напряжением является не напряжение на стабилитроне, а напряжение на балластном резисторе. Остались в стороне не стандартные варианты использования стабилитронов. Например, в качестве варикапов для настройки колебательных контуров приемников.

Стабилитрон это простой и дешевый электронный прибор, который имеет массу разных применений. Но за этой простотой скрывается не мало тонкостей, которые нужно учитывать.