Полупроводниковые стабилизаторы

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………...................3

I. Теоретическая часть……………………………………………………………….4

II. Конструкция диодов……………………………………………………………...6

   2.1 Физические основы диодов…………………………………………………...9

   2.2 Основные параметры стабилитронов………………………………………...11

III. Экспериментальная часть………………………………………………………17

   3.1 Разработка и конструирование лабораторного стенда……………………...18

   3.2 Порядок проведения измерения ……………………………………………...19

   3.3 Измерения вольтамперных характеристик и параметров. Измерения выходного напряжения……………………………………………………………...20

Заключение…………………………………………………………………………..22

Список литературы………………………………………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других - не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

 

 

 

 

 

I Теоретическая часть

 

Стабилитрон это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. В отличии от обычных диодов, стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и что самое главное - может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Благодаря этому эффекту стабилитроны широко применяются в источниках питания.

Рис.1 Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах.

 

В стабилитронах, для создания p-n перехода, используются материалы с высокой концентрацией примесей. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. При этом электрический пробой является обратимым (если конечно не наступит тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма: лавинный пробой p-n перехода и туннельный пробой p-n перехода. Туннельный пробой p-n перехода в англоязычной литературе называется Эффектом Зенера, поэтому стабилитрон имеет еще одно название - диод Зенера.

Несмотря на схожие результаты действия этих механизмов - различны, хотя и присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения является оптимальным решением для устройств с широким температурным диапазоном применения.

 

 

Рис.2 Обозначение двуханодного стабилитрона на принципиальных схемах.

 

Существует большое количество разновидностей стабилитронов:

Стабилитроны отличаются по мощности, существуют мощные и маломощные стабилитроны.

  Прецизионные стабилитроны  - обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и температурный коэффициент напряжения (например: 2С191, КС211, КС520);

Двусторонние - обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (например: 2С170А, 2С182А);

Быстродействующие - имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса (единицы нс), что позволяет стабилизировать и ограничивать кратковременные импульсы напряжения (например: 2С175Е, КС182Е, 2С211Е).

 

 

 

 

 

 

 

II Конструкция полупроводниковых диодов

 

Стабилитроны работают только в цепях постоянного тока. При включении напряжения следует соблюдать полярность. Катод стабилитрона обозначается кружком. Для получения стабилизированного напряжения обязательно включать последовательно со стабилитроном ограничивающее сопротивление. Полезная нагрузка, на которой нужно получить стабильное напряжение, включается параллельно стабилитрону.

Для нормальной работы стабилитрона напряжение на нем в момент включения должно достигнуть величины так называемого напряжения зажигания.

При работе стабилитрона ток, проходящий через него, не должен выходить за пределы, указанные в справочнике, что является показателем правильного выбора режима стабилизации.

Необходимо помнить, что при отключении нагрузки ток, проходящий через стабилитрон, возрастает. Это иногда может вывести его из строя. Стабилитроны одного типа нельзя соединять параллельно с целью увеличения допустимых пределов изменения питающего напряжения, так как при этом невозможно обеспечить одновременность их зажигания и одинаковый режим работы.

Зажигание одного из двух параллельно соединенных стабилитронов делает невозможным зажигание второго, потому что при этом напряжение на нем становится равным номинальному рабочему напряжению зажегшегося стабилитрона, которое меньше напряжения зажигания.

Однотипные по току стабилитроны можно соединять последовательно для повышения стабилизируемого напряжения или образования делителя напряжений.

Некоторые стабилитроны в цоколе имеют перемычку, включая которую в цепь первичной, повышающей обмотки или в цепь высокого напряжения можно разорвать какую-либо из этих цепей при вынутом стабилитроне и, снимая этим с конденсатора фильтра выпрямленное напряжение, защитить конденсатор от возможного пробоя, т.к. при отсутствии стабилитрона напряжение на нем может достичь опасной величины.

Обозначения стабилитронов состоят из трех элементов: букв СГ (стабилитрон газовый), порядкового номера прибора и буквы, характеризующей конструкцию стабилитрона, С - стеклянный, П - пальчиковый.

стабилитрон имеет вид:

 

Рис.3 конструкция корпуса стабилитрона.

 

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф ≈ 2÷50 Ом.

Основное назначение стабилитрона - стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, - лавинный и туннельный пробой p-n перехода.

 

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: Uстаб > 8 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Физические  основы

 

Стабилитроны характеризуются следующими специальными параметрами.

Напряжение стабилитрона Uст — напряжение на стабилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n-перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей p-n-переход получается тонким и в нем доже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину и лавинный пробой наступает раньше, чем напряженность электрического поля становится достаточной для туннельного пробоя. Таким образом, подбором удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжения стабилизации.

Практически при напряжениях стабилизации ниже 6 В имеет только туннельный пробой, а при напряжении выше 8 В — лавинный. В интервале от 6 до 8 В наблюдаются оба вида пробоя.

Минимально допустимый ток стабилизации Iст min — ток, при которой пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы.

Максимально допустимый ток стабилизации Iст max — ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Рmax.

Дифференциальное сопротивление rст = dUст / dIст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока. Чем меньше rст, тем лучше стабилизация напряжения.

Температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН), определяемый отношением относительного изменения напряжения стабилизации (ΔUст/Uст) к абсолютному изменению темепературы окружающей среды (ΔTокр) при постоянном току стабилизации:

У стабилитронов с лавинным пробоем ТНК положительный, а с туннельным — отрицательный. Для выпускаемых промышленностью стабилитронов значение ТНК колеблется от 0,001 до 0,2 %/К.

Для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используют прямую ветвь вольтамперной характеристики диода при Uст > Uк. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего тока. Такие приборы называют стабистрами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Основные параметры стабилитронов

 

Стабилитроны работают только в цепях постоянного тока. При включении напряжения следует соблюдать полярность. Катод стабилитрона обозначается кружком. Для получения стабилизированного напряжения обязательно включать последовательно со стабилитроном ограничивающее сопротивление. Полезная нагрузка, на которой нужно получить стабильное напряжение, включается параллельно стабилитрону.

 Для нормальной работы стабилитрона напряжение на нем в момент включения должно достигнуть величины так называемого напряжения зажигания.

 При работе стабилитрона ток, проходящий через него, не должен выходить за пределы, указанные в справочнике, что является показателем правильного выбора режима стабилизации.

Необходимо помнить, что при отключении нагрузки ток, проходящий через стабилитрон, возростает. Это иногда может вывести его из строя. Стабилитроны одного типа нельзя соединять параллельно с целью увеличения допустимых пределов изменения питающего напряжения, так как при этом невозможно обеспечить одновременность их зажигания и одинаковый режим работы.

 Зажигание одного из двух параллельно соединенных стабилитронов делает невозможным зажигание второго, потому что при этом напряжение на нем становится равным номинальному рабочему напряжению зажегшегося стабилитрона, которое меньше напряжения зажигания.

 Однотипные по току стабилитроны можно соединять последовательно для повышения стабилизируемого напряжения или образования делителя напряжений.

 Некоторые стабилитроны в цоколе имеют перемычку, включая которую в цепь первичной, повышающей обмотки или в цепь высокого напряжения можно разорвать какую-либо из этих цепей при вынутом стабилитроне и, снимая этим с конденсатора фильтра выпрямленное напряжение, защитить конденсатор от возможного пробоя, т.к. при отсутствии стабилитрона напряжение на нем может достичь опасной величины.

 Обозначения стабилитронов состоят из трех элементов: букв СГ (стабилитрон газовый), порядкового номера прибора и буквы, характеризующей конструкцию стабилитрона, С - стеклянный, П - пальчиковый.