Стабилитроны, стабисторы, варикапы

Стабилитрон и стабистор. Полупроводниковыми стабилитронаминазывают диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока.

Такой участок наблюдается на обратной ветви воль-амперной характеристики кремниевого диода в режиме лавинного или туннельного пробоя. Поэтому в качестве полупроводниковых стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например КС168А.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона изображена на рис.5.

Рис.5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона

На характеристике точками А и В отмечены границы рабочего участка. Положение точки А соответствует напряжению пробоя p-n- перехода, которое зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примесей. Точка В соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность.

Стабилитроны характеризуются следующими специальными параметрами:

а) напряжение стабилизации U _ст – 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 p-n- переход получается тонким и в нем даже 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 напряжённость электрического поля становится достаточной для туннельного пробоя. Таким образом, подбором удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжение стабилизации. Практически при напряжениях стабилизации ниже 6В имеет место только туннельный пробой, а при напряжении выше 8В – лавинный. В интервале от 6 до 8В наблюдаются оба вида пробоя;

б) минимально допустимый ток стабилизации I _{ст. min} – ток, при котором пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надёжность работы;

в) максимально допустимый ток стабилизации I _{ст. max} – ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Р _max;

г) дифференциальное сопротивление R _ст = ∆ U _ст / ∆ I _ст – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока. Чем меньше R _ст, тем лучше стабилизация напряжения;

д) температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН), определяемый отношением относительного изменения напряжения стабилизации (Δ U _ст/ U _ст) к абсолютному изменению температуры окружающей среды (Δ T _окр) при постоянном токе стабилизации:

.

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

Для стабилизации низких напряжений (до 1В) используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики кремниевого диода при U _ст> U _К. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего тока. Такие приборы называют стабистрами. ВАХ стабистора приведена на рис.6.

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабистора

Графическое изображение стабилитрона (стабистора) показано на рис. 7.

Рис.7. Графическое изображение стабилитрона (стабистора)

В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения. Схема включения стабилитрона показана на рис.8. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке R _н, а в общую цепь включают ограничительный резистор R, являющийся обязательным элементом.

Рис.8. Схема стабилизатора напряжения

Для схемы, показанной на рис.8, справедливо уравнение

. (1)

После преобразования уравнения получим

. (2)

На основании уравнения (2) построена нагрузочная прямая, точка пересечения которой с вольт-амперной характеристикой, является рабочей точкой. При изменении напряжения источника питания Е нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе (рис.9, а), а при изменении сопротивления нагрузки изменятся её наклон (рис.9, б). При этом если рабочая точка не выходит из границ участка АВ, то напряжение на нагрузке остаётся практически неизменным. Следовательно, в данной схеме напряжение на нагрузке остаётся постоянным в некоторых пределах изменения напряжения питания и сопротивления самой нагрузки.

Рис.9. К пояснению работы стабилизатора напряжения

С физической точки зрения принцип стабилизации напряжения в данной схеме объясняется следующим образом. Увеличение напряжения источника питания на величину Δ E приводит к увеличению общего тока в цепи I = I _ст + I _н. Поскольку при изменении тока, проходящего через стабилитрон, напряжение на нем остаётся практически неизменным и равным напряжению стабилизации, то изменением тока нагрузки I _н можно пренебречь. Приращение напряжения источника питания на величину Δ E почти целиком произойдёт на ограничительном резисторе R. При уменьшении напряжения источника питания на величину Δ E общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитрон. Если это уменьшение не вышло из пределов стабилизации, в этом случае при сохранении постоянного напряжения на нагрузке напряжение на резисторе R уменьшится на величину Δ E. Таким образом, наличие ограничительного резистора R, в рассмотренной простейшей схеме стабилизатора напряжения, является принципиально необходимым.

Изменение сопротивления нагрузки при неизменном напряжении источника питания не приведёт к изменению напряжения на ограничительном резисторе R, а вызовет изменение тока, проходящего через стабилитрон.

Помимо стабилизации постоянного напряжения, стабилитроны используются в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых ёмкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Варикап. Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной ёмкости p-n -перехода от обратного напряжения. Они применяются в качестве конденсатора с электрически управляемой ёмкостью.

Вторым элементом обозначения варикапов является буква «В». Варикапы делятся на подстроечные и умножительные (варакторы).

Варакторы применяются для умножения частоты сигнала. При этом используется нелинейность вольт-фарадной характеристики.

Подстроечные варикапы используются, например, для изменения резонансной частоты колебательных систем.

Условное графическое изображение варикапа (варактора) показано на рис.10.

Рис.10. Графическое изображение варикапа

На рис. 11 изображён колебательный контур, перестраиваемый с помощью варикапа. В этой схеме конденсатор С предотвращает замыкание напряжения источника питания через индуктивность L. Ёмкость конденсатора С обычно значительно превышает ёмкость варикапа – диода VD1. Поэтому резонансная частота контура определяется по формуле

f _{0 =} ,

где С _в – ёмкость варикапа.

Рис. 11. Схема включения варикапа

Регулировкой напряжения смещения, подаваемого на диод с потенциометра R2 через резистор R1, можно изменять ёмкость диода и, следовательно, резонансную частоту колебательного контура. Резистор R1 предотвращает возможность шунтирования колебательного контура при перемещении подвижного контакта потенциометра. Сопротивление резистора R1 выбирают больше резонансного сопротивления контура.

Основными специальными параметрами варикапов являются:

а) номинальная ёмкость С_ном, измеренная при заданном обратном напряжении U_обр;

б) коэффициент перекрытия ёмкости К_С, определяемый отношением ёмкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения;

в) добротность Q, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.

Например, варикап КВ109А обладает следующими параметрами:

С_ном = 8…16 пФ при U_обр = 3В; К_С = 4…6; Q = 300 при U_обр = 3В; f = 50 МГц.

[1] высокоомный – это полупроводник с малой концентрацией примеси, т.е. слаболегированный

[2] Ёмкость С_д = С_pn + С_корп + С_в., где С_pn – ёмкость перехода, С_корп – ёмкость корпуса, С_в – ёмкость выводов (электродов).