Стабилитроны

Стабилитрон–это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения на присоединенной параллельно ему нагрузке в случае изменения её сопротивления или величины напряжения питания. Для работы используется участок пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики, где значительному изменению тока соответствуеточень малое изменение напряжения.

Пробивное напряжение диода зависит от толщины p - n - перехода, а толщина – от величины удельного сопротивления материала. При использовании низкоомных материалов получают стабилитроны для стабилизации малых напряжений. При напряжениях, ниже примерно 6 вольт в p-n - переходах наблюдается практически только туннельный вид пробоя. В диапазоне от 6 до 8 В можно считать наличие как туннельного, так и лавинного механизмов пробоя, а в пределах 8…200 В – только лавинного.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представленана рис. 2.7.

Рис. 2.7

Видно, что напряжение стабилизации несколько отличается от напряжения пробоя, поскольку в реальном диоде переход от области пробоя к рабочей точке не происходит резко, а с некоторым наклоном. В связи с этим для конкретного определения напряжения стабилизации следует задаться необходимой величиной рабочего тока. Любому изменению тока относительно рабочей точки соответствует определенное изменение напряжения. Чем меньше величина этого изменения, тем лучше качество стабилизации. Качество стабилизации определяется дифференциальным сопротивлением R_∂ = ∂U/∂I.

При изменении температуры напряжение стабилизации изменяется неоднозначно: в слаболегированных полупроводниках, которые исполь­зуются в высоковольтных стабилитронах, с ростом температуры длина свободного пробега носителей уменьшается. Для того, чтобы при меньшей длине свободного пробега, носители могли приобрести энергию, достаточную для ионизации валентных связей, требуется большая величина напряженности электрического поля, т.е. напряжение пробоя с ростом температуры должно возрастать.

При высокой концентрации примесей, т.е. в сильнолегированных полупроводниках, большую роль играют ионизированные атомы примеси. Здесь температурная зависимость пробоя в основном связана с температурной зависимостью ширины запрещенной зоны. При увеличении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается, вероятность туннелирования носителей увеличивается, а напряжение пробоя падает. Следовательно, высоковольтные и низковольтные стабилитроны должны иметь противоположные изменения величины напряжения стабилизации при изменении температуры.

Схема простейшего стабилизатора с использованием стабилитрона показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8

Резистор R_ст является гасящим и задает одновременно рабочую точку. В случае изменения величины сопротивления нагрузки падение напряжения на нем происходит таким образом, что напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

В настоящее время выпускается большое количество стабилитронов на основе кремния, имеющих напряжение стабилизации в пределах 2,4…200 В и максимальную мощность 0,25…50 Вт. Конструкции стабилитронов очень незначительно, а в некоторых случаях практически не отличаются от конструкций выпрямительных диодов. Примеры стабилитронов: Д814А-Д, КС124Д-1, 2С211Ж, КС630А.

Основными параметрами стабилитронов являются:

1. Напряжение стабилизации U_ст.

2. Минимальный и максимальный токи стабилизации: I_ст.min, I_ст.max

3. Температурный коэффициент напряжения стабилизации.

4. TКН = [(_∂U_СТ / _{∂Т) /} U_СТ] ∙100% [% /град]

Дифференциальное сопротивление в рабочей точке R_∂ = ∆U/∆I.

5. Статическое сопротивление в рабочей точке R₀ = U₀ / I₀.

6. Коэффициент качества Q = R_∂ / R₀