Кремнієві стабілітрони. Будова, принцип дії, галузі використання. Високочастотні діоди

Стабілітронами називаються площинні кремнієві діоди, у яких в зворотній гілці їх вольт-амперної характеристики (мал. 2.13,6) є ділянка з великою крутизною, в межах цієї ділянки напруга трохи змінює свою величину при зміні протікаючого струму.

Робота стабілітрона в межах даної ділянки вольт-амперної характеристики, що називаэться робочою ділянкою дозволяє використовувати його не тільки в стабілізаторах напруги, але також і в різних електронних схемах, як, наприклад в схемах амплітудного обмеження і для створення опорної (еталонної) напруги.

Умовне позначення стабілітрона приведене на мал. 2.13, а.

 

Мал. 2.13

Робоча ділянка вольт-амперної характеристики стабілітрона обумовлюється пробоєм його p-n-переходу. Механізм пробою в стабілітронах залежно від їх призначення може бути тунельним, лавинним або змішаним. У стабілітронів з робочою напругою до 3-4 В відбувається тунельний пробій, а з робочою напругою більше 7 В виникає лавинний пробій. У області від 3 до 7 В пробій обумовлюється сумісною дією тунельного і лавинного механізмів.

Для отримання лавинного пробою ширина р-п-переходу повинна бути більше довжини вільного пробігу неосновних носіїв заряду. Ця умова виконується в діодах, виконаних на кремнієвій основі, оскільки рухливість носіїв в кремнії менша, ніж в германії.

Напруга, при якій відбувається лавинний пробій, залежить від питомого опору кремнію. Із зростанням питомого опору напруга лавинного пробою збільшується. Підбором питомого опору можна створити стабілітрони на потрібну величину напруги стабілізації.

Вибір кремнію для виробництва стабілітронів обумовлений тим, що у нього на відміну від германію малий зворотний струм в передпробійній області, крім того, вольт-амперна характеристика має різкий злам в області пробою. Кремнієві діоди витримують більші зворотні напруги, чим германієві.

Основними параметрами стабілітрона є:

1. Напруга стабілізації U_CT - падіння напруги на стабілітроні при протіканні заданого струму стабілізації - визначається значенням номінального струму стабілізації. Оскільки робочу ділянку вольт-амперної характеристики має деякий нахил, напруга стабілізації відрізняється від напруги, при якій відбувається пробій p-n-переходу. Тому напруга стабілізації визначається значенням номінального струму стабілізації Iст (точка А на мал. 2.13,6).

2. Номінальний струм стабілізації Iст - значення струму, що протікає через стабілітрон, що визначає напругу стабілізації.

3 Мінімально допустимий струм стабілізації I_CTmin - струм, при якому забезпечується надійне виникнення пробою p-n-переходу. Мінімально допустимий струм коливається в межах 1-3 мА.

4. Максимально допустимий струм стабілізації I_стmах - струм, при якому потужність розсіяння на стабілітроні не перевищує максимально допустиму потужність стабілітрона. Максимально допустимий струм залежно від типу стабілітрона лежить в межах від 20 мА до 1,5 А.

5. Диференціальний, або динамічний, опір Rст - величина, що визначається відношенням приросту напруги стабілізації на стабілітроні до того, що викликав його малому приросту струму:

R_CT=ΔUcт/ΔIcт.

Динамічний опір визначає нахил вольт-амперної характеристики стабілітрона. Величина коливається від одиниці до десятків омів.

6. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації - величина, що визначається відношенням відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури навколишнього середовища при постійному струмі стабілізації напруги.

 

Мал. 2.24

 

Температурний коефіцієнт напруги стабілізації виражається в %/град і визначається залежністю

 

 

Температурний коефіцієнт напруги стабілізації при тунельному пробої негативний. Це пояснюється тим, що напруга тунельного пробою визначається шириною забороненої зони напівпровідника. Чим менше ширина забороненої зони, тим менше напруга тунельного пробою. Із зростанням температури ширина зони зменшується а, отже, зменшується напруга пробою.

При лавинному пробої температурний коефіцієнт напруги стабілізації позитивний, оскільки з підвищенням температури зменшується довжина вільного пробігу носіїв і напруга пробою збільшується.

Температурний коефіцієнт напруги стабілізації коливається в межах 0,05-0,15 %/град. Для зниження TKU створюють температурно-компенсаційні стабілітрони, в яких послідовно з р-n-переходом стабілітрона підключають один або декілька р-n -переходов з протилежним по знаку TKU.

Таким шляхом вдається отримати стабілітрони з TKU, що не перевищують 0,001 %/град.

7. Максимально допустима розсіювана потужність стабілітрона Рстmax – це потужність, при якій забезпечується задана надійність роботи стабілітрона. Максимально допустима потужність стабілітронів, що випускаються промисловістю, коливається від 250 мВт до 50 Вт.

На мал. 2.14 представлена проста схема стабілізації напруги постійного струму. Така схема здійснює стабілізацію напруги як при зміні вхідної напруги, так і при зміні опору навантаження.

Наприклад, якщо вхідна напруга зросте, то збільшується і струм стабілітрона, а звідси зросте струм I₀ і падіння напруги на обмежувальному опорі R_orp. Прирости напруги ΔU_ВХ і ΔI_OR_orp взаємно компенсуються, а U_BX зберігається на заданому рівні.

Величину обмежувального резистора можна обчислити за формулою

 

На мал. 2.15 приведена і пояснена робота схеми стабілізації напруги змінного струму.

 

Мал. 2.15

 

За час позитивних напівперіодів вхідної напруги стабілітрон VD1 відкритий, а стабілітрон VD2 вихідна напруга обмежує по амплітуді на рівні напруги стабілізації. За час негативних напівперіодів вхідної напруги вихідна напруга буде обмежена по амплітуді на рівні напруги стабілізації стабілітрона VD1. Таким чином, вихідну напругу приймає вид змінної напруги трапецеїдальної форми, амплітуда якої визначається напругою стабілізації вживаних стабілітронів і не залежить від амплітуди вхідної напруги. Стабілізацію постійної напруги можна також отримати за допомогою діода, включеного в прямому напрямі. Кремнієві діоди, призначені для цієї мети, називають стабісторами. Для виготовлення стабісторів застосовують кремній з більшою концентрацією домішок. На відміну від стабілітронів стабістори мають малу напругу стабілізації (близько 0,7 В). Для розширення діапазону напруги стабілізації використовують послідовне з'єднання в одному корпусі декілька стабісторів. Параметри стабісторів аналогічні стабілітронам, а їх максимальний струм, потужність і теплові характеристики ті ж що і у випрямних діодів.

Маркування кремнієвих стабілітронів складається з чотирьох елементів.

Перший елемент - буква К або цифра 2.

Другий елемент - буква С.

Третій елемент - число, указує призначення і електричні властивості стабілітрона.

Для стабілітронів малої потужності Р_стmах = 0,3 Вт для напруги стабілізації 0,1-9,9 В, 10-99 В і 100-199 ставлять числа відповідно 101 - 199, 210-299 і 300-399, Для стабілітронів середньої потужності (0 Вт < Р_{ст mах} < 5 Вт) на ту ж напругу ставлять числа відповідно 401-499, 510-599 і 600-699. Для стабілітронів великої потужності (Р_стmах>5 Вт) на ту ж напругу ставлять числа відповідно 01-799, 810-899 і 900-999.

Четвертий елемент позначення - буква, що вказує на різновид стабілітрона.

 

Контрольні запитання:

1. Що називається стабілітроном?

2. Основними параметрами стабілітрона?

3. Як графічно позначається стабілітрон на принципіальних електричних схемах?

4. Привести схему стабілізації напруги.