Полупроводниковые стабилитроны.

Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя -перехода при включении диода в обратном направлении.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным.

У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой (сравнительно высокоомных) пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для создания -перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

В качестве примера на рис. 2.14, а приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона при различных температурах. На рис. , в показаны условное обозначение стабилитронов и его включение в схему стабилизации напряжения.

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения

1. Напряжение стабилизации — падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт - десятки вольт).

2. Максимальный ток стабилизации (несколько — несколько А).

3. Минимальный ток стабилизации (доли — десятки ).

4. Дифференциальное сопротивление гдиф, которое определяется при заданном значении тока на участке пробоя как (доли Ом — тысячи Ом).

Рис. 2.14. Вольт-амперная характеристика стабилитрона , его условное обозначение и включение полупроводникового стабилитрона в схему стабилизации напряжения на нагрузке (в)

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации — относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на : ( — тысячные доли процента).

Дифференциальное сопротивление при увеличении тока стабилизации уменьшается на 10—20%. Это объясняется тем. что при увеличении приложенного напряжения увеличивается площадь участков, - на которых произошел пробой. При токе, близком к номинальному, его сопротивление близко к значению собственного сопротивления базы.

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей. Поэтому в стабилитроне инерционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей, при переходе из области пробоя в область запирания и обратно практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей. Включение полупроводниковых стабилитронов в схему стабилизации выходного напряжения показано на рис. 2.14,в. При увеличении напряжения питания увеличивается ток в цепи, а падение напряжения на стабилитроне и на нагрузке остается неизменным. При увеличении тока через стабилитрон возрастает падение напряжения на резисторе R. Другими словами, почти все приращение напряжения питания падает на резисторе , а выходное напряжение остается неизменным за счет своеобразной характеристики обратной ветви стабилитрона.

Параметры цепи стабилизации напряжения выбирают так, чтобы удовлетворялись следующие очевидные неравенства:

где — максимальное и минимальное напряжения источника питания; - максимальный и минимальный токи нагрузок, которые будут соответственно при .

Если неравенства (2.29), (2.30) не удовлетворяются, то реализовать параметрический стабилизатор напряжения, имеющий заданные параметры, нельзя и необходимо применять более сложные технические решения.

Для уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации последовательно со стабилитроном включают дополнительный диод (рис. 2.15, а). При этом вид вольт-амперной характеристики (рис. 2.14, а) при прямом напряжении U изменяется и этот участок представляет обратную ветвь характеристики диода .

В отличие от вышерассмотренного такой компенсированный стабилитрон практически не изменяет параметры напряжения, полярность которого противоположна стабилизируемому, что удобно при построении ряда устройств.

Данные стабилитроны получили название прецизионных и выпускаются промышленностью в виде законченных компонентов, например и др. В них дополнительно нормируются временная нестабильность напряжения стабилизации (тысячные доли процента — доли процента) и время выхода на режим, при котором обеспечивается заданная временная нестабильность (десятки минут).

В прецизионных стабилизаторах напряжения вместо резистора R устанавливают стабилизатор тока. Он необходим потому, что при изменении тока через стабилитрон на величину падение напряжения на нем меняется на . Поэтому чем меньше , тем точнее будет поддерживаться требуемое значение напряжения.

При необходимости обеспечить стабилизацию двухполярных напряжений стабилитроны включают последовательно (рис. 2.15, б), а прецизионные (с дополнительными компенсирующими диодами) — параллельно (рис. 2.15, в).

Кроме того, промышленность выпускает так называемые двуханодные стабилитроны, например и т. д., которые обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений (рис. 2.15, г). Для них дополнительно нормируют абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (доли В).

При необходимости стабилизировать или ограничивать короткие импульсы напряжения (длительностью десятки не — сотни ) следует применять стабилитроны, специально предназначенные для этих целей, например и др. Они имеют сниженное значение барьерной емкости, так что общая емкость составляет несколько — два десятка , и малую длительность переходного процесса (доли не — несколько не).