Стабилитроны

Стабилитроны – кремниевые диоды, работающие при обратном смещении перехо­да и часто называемые диодами Зенера (Zener diodes). В отечественной ли­тературе и за рубежом приняты различные обозначения стабилитронов на принци­пиальных электрических схемах, что показано на рисунке 11.4. На рисунке обозна­чены напряжение и ток стабилизации.

Выпускаемые в настоящее время стабилитроны имеют широкий, диапазон на­пряжений пробоя (стабилизации) – от единиц, до десятков вольт. Максимальная мощность, рассеиваемая на стабилитроне, зависит от поверхности корпуса и от способа монтажа корпуса на плате. Перечислим важнейшие параметры стабили­трона, оказывающие влияние на его работу:

1) напряжение стабилитрона, U_c [В] – указывается ток ста­билизации при комнатной тем­пературе;

2) дифференциальное (динамическое) сопротивление, г_д [Ом] – характеризует

наклон ВАХ на участке пробоя и указывается для того же тока стабилизации, при котором определялось напряжение U_c при комнатной температуре; сопротивле­ние г_д может также указываться для тока значительно меньшего того тока, при кото­ром производилось измерение U_c:

3) рассеиваемая мощность, Р_p [мВт] – максимальная мощность, указываемая при температуре 25°С; при дальнейшем повышении температуры окружающей среды Р_p снижается, степень снижения зависит от конструктивных особенностей прибора;

4) тепловое сопротивление переход – среда, R_тпс [°С/Вт] – параметр, также завися­щий от конструкции;

5) максимальная температура перехода, Т_п [°С].

а) б)

Рисунок 11. 3 – Обозначения, принятые для стабилитронов на принципиальных элек­трических схемах: а) – обозначение, принятое в России; б) – обозначение, принятое за рубежом.

Вольтамперная характеристика стабилитрона (ВАХ) с участками прямого смещения и пробоя показана на рисунке 11.4. Если при пря­мом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод — падение напряжения U_п = 0,7...0,9 В и температурный коэффициент напряжения (TKH) () отрица­тельный, то параметры стабилитрона, работающего на участке пробоя, зависят от заданных требований, технологии изготовления и конструкции прибора. Для стабилитрона весьма важен технологический разброс напряжения стабили­зации U_c. Существующие стабилитроны имеют разброс ±10, ±5 или ±2%.

К основным характеристикам стабилитрона относится также дифферен­циальное сопротивление г_д:

(11.5)

Компенсация влияния температуры окружающей среды на характери­стики стабилитрона осуществляется при помощи термочувствительных компо­нентов схем с отрицательным температурным коэффициентом или дополни­тельных стабилитронов, включенных и проводящем направлении последова­тельно со стабилизирующими стабилитронами.

Дифференциальное сопротивление г_д оказывает влияние на стабильность вы­ходного напряжения при изменении нагрузки; важно, чтобы это сопротивление было по возможности меньше. Сопротивление г_д зависит, в первую очередь, от напряжения стабилизации; оно наибольшее для стабилитронов с U_c = 2,4..5,1 В, составляя 70..40 Ом, минимально при напряжении U_c = 6...9 В и возрастает при U_c > 10 В.

С ростом тока стабилизации г_д резко снижается, уменьшаясь, например, в 2...25 раз при возрастании тока стабилизации с 0,2.,.0,5до 2...5 мА.

ТКН стабилитрона, так же как и сопротивление R, зависит от напряжения U_c. Минимальный (по абсолютному значению) ТКН имеют стабилитроны с U_c = 5,1 В; при увеличении U_c ТКН возрастает, оставаясь положительным, а при уменьшении U_c от значения 5,1 В ТКН имеет отрицательный знак.

Рисунок 11. 4 – Вольтамперная характеристика стабилитрона

На рисунке 11. 5 представлена схема стабилизатор на­пряжения на основе стабилитрона, где регулирующий элемент включен параллельно нагрузке. На этом рисунке R –сопротивление нагрузки, R_б – балластное сопротивление. Ток, проходящий через сопротивление R_Б:

Ток, проходящий через нагрузку;

(11.6)

Ток в стабилитроне;

(11.7)

Последнее соотношение может быть приведено к виду:

(11.8)

где R_э – результат параллельного включения R и R_Б.

Рисунок 11. 5 – Схема стабилизации на основе стабилитрона.

Соотношение (13.6) показывает, что минимальным ток стабилизации (I_{c min}) будет при U_{вх min} и R_min. При этих условиях, задав ток I_{c min} и считая, что напряжение U_вых = U_сmax (максимальное значение U_с из справочных данных), определим после преобразований из (13.6) балластное сопротивление R_Б

(11.9)

Максимальный ток стабилизации (I_{c max}) будет при U_вхmax, U_сmin и R_max. По­скольку для выбранного типа стабилитрона U_cmin известно из справочных данных, по­сле расчета R_Б no соотношению (12.7) следует проверить, не превышает ли ток I_стах предельно допустимый:

. (11.10)

Ток I_{c max} не должен превышать ток, равный Р_p/U_cmax, с учетом снижения Р_р при возрастании температуры.

Изменение выходного напряжения при изменении входного учитывается с по­мощью соотношения, полученного из (13.8):

(11.11)

При изменении сопротивления нагрузки также происходит изменение U_вых, кото­рое можно учесть, преобразуя (13.9) и учитывая, что U_вх останется постоянным:

(11.12)

где ΔR — изменение сопротивления нагрузки от исходного значения, которое учитыва­ется в эквивалентном сопротивлении R_Э.

Соотношения (13.10) и (13.9) показывают, насколько важно, чтобы стабилитрон имел малое сопротивление г_д. Температурные изменения напряжения на выходе учитыва­ются с помощью ТКН стабилитрона, приводимого в справочных данных.