ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА "Расчет схемы со стабилитроном"

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

ТЕМА: Расчет схемы со стабилитроном

Раздел 1. Полупроводниковые приборы

Определение основных характеристик стабилитрона и исследование параметрического стабилизатора напряжения

Цель работы:

Изучение принципа работы кремниевых стабилитрона и стабистора, снятие вольтамперных характеристик; определение основных параметров.

Теория.

На практике часто для питания различной аппаратуры связи необходимо иметь постоянное напряжение, которое относительно мало изменяется (в допустимых пределах - десятые доли вольта) от изменения тока в нагрузке и напряжения питающей цепи. Для этой цели служат полупроводниковые стабилизаторы напряжения.

Стабилитроны и стабисторы (опорные диоды) – это полупроводниковые диоды, на которых напряжение сохраняется с определенной точностью при изменении протекающего через них тока в определенном диапазоне. Они предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке.

Полупроводниковый стабилитрон представляет собой плоскостной диод, изготовленный из кремния с высокой концентрацией примесей.

Концентрация донорных и акцепторных примесей в стабилитроне составляет примерно 10¹⁶ -10¹⁷ см^-3.  Работа стабилитрона основана на явлении пробоя p-n-перехода.

Различают четыре разновидности пробоя: туннельный, лавинный, тепловой и поверхностный. Туннельный и лавинный пробои связаны с наличием электрического поля и имеют общее название электрического пробоя. Тепловой пробой происходит от возрастания рассеиваемой переходом мощности. Поверхностный пробой зависит от поверхностного заряда.

Туннельный пробой наступает в том случае, когда электрические зоны в полупроводнике претерпевают сильный наклон. Запрещенная зона как бы сужается, в результате чего возрастает вероятность туннельного перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Туннельный пробой может наступить в переходе при критических напряженностях поля. Для германиевого перехода E_к ≈ 2∙10⁵ В/см; для кремниевого - Е_к ≈ 4∙10⁵ В/см. Начало пробоя оценивается условно, например, при I_обр = 10I₀. Напряжение туннельного пробоя пропорционально удельному сопротивлению базы и зависит от типа проводимости.

Рис. 1

Лавинный пробой p-n - перехода возникает при меньших значениях напряженности из-за ударной ионизации нейтральных атомов быстрыми носителями заряда (рис. 1, кривая а). Ток перехода нарастает лавинообразно, и сам процесс можно охарактеризовать коэффициентом умножения носителей M в переходе.

Тепловой пробой p-n - перехода (рис. 1, кривая б) может возникнуть при низких напряженностях электрического поля, когда отводимое в единицу времени от перехода тепло меньше выделяемого в нем тепла при протекании большого обратного тока. Под действием теплового возмущения валентные электроны переходят в зону проводимости и еще больше увеличивают ток перехода. Это приводит к лавинообразному увеличению тока и пробою перехода. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается. У переходов с малыми обратными токами напряжение пробоя выше.

Поверхностный пробой имеет место в том случае, когда поверхностный заряд приводит к увеличению или уменьшению толщины перехода. При этом пробой может наступить при напряженности поля, значительно меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в объеме. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника (защитные покрытия, загрязненность и др.).

Рис. 2

На рис. 2 приведена вольтамперная характеристика стабилитрона. Начиная с некоторого значения обратного запирающего напряжения, обратный ток реального p-n-перехода быстро увеличивается. Если этот ток не ограничивать, то возникает пробой перехода. Выпрямляющее свойство перехода при пробое нарушается. При больших обратных напряжениях вольт-амперная характеристика перехода имеет вид одной из кривых, показанных на рис. 1. Она зависит от удельного сопротивления полупроводника, типа p-n-перехода, формы и величины приложенного напряжения, окружающей температуры и условий теплоотвода, состояния поверхности и других факторов. Физическая природа пробоя может быть различной.

Из рисунка видно, что в области электрического пробоя (участок АБ) резкое изменение обратного тока ∆I_ст вызывает незначительное изменение обратного напряжения ∆U_ст. Именно этот участок АБ электрического пробоя и используется для стабилизации напряжения.

При больших значениях обратного тока электрический пробой переходит в необратимый тепловой пробой. Поэтому в опорных диодах допустимый обратный ток ограничивается мощностью рассеяния P_доп = U_обр I_обр. Минимальное напряжение, при котором происходит электрический пробой, зависит от концентрации примесей в кристалле и находится в пределах 6 ... 200 В. Минимальная величина тока в момент пробоя составляет 0,2 ... 0,3 мА.

Рис. 3 ВАХ стабилитрона

Дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке    мало и составляет несколько десятков и даже единиц Ом.

Участки ВАХ, соответствующие электрическим режимам стабилитронов и стабисторов в режиме стабилизации, называют рабочими (участки АБ и ВГ на рис.3). Рабочий участок стабилитрона расположен на обратной ветви ВАХ, т.е. прибор работает в режиме пробоя. Рабочий участок стабистора расположен на прямой ветви ВАХ.

Рис. 4

На рис. 4 приведена простейшая схема включения стабилитрона. Стабилитрон включается в схему параллельно с нагрузкой R_н. В неразветвленную часть схемы включается ограничительное сопротивление R_o. Это сопротивление является обязательным элементом схемы. Без него нельзя получить стабилизацию напряжения. Сопротивление R_o должно быть значительно больше дифференциального сопротивления стабилитрона R_диф. Чем больше , тем лучше стабилизация напряжения. Однако из-за больших потерь мощности на ограничительном сопротивлении не следует чрезмерно его увеличивать.

Практически достаточно, чтобы отношение Дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке  было около ста.

Уравнение Кирхгофа (нагрузочная характеристика) для схемы рис. 4 имеет вид:

E = I_oR_o + U_ст,
где I_o = I_н + I_ст;
при U_ст = 0, I_ст = I_o = ;

при I_ст = 0, U_ст = E - I_oR_o.
, поэтому U_ст = E - (U_ст / R_н) R_o ;
 

Нагрузочная характеристика стабилитрона показана на рис. 5.

Рис. 5

Изменение напряжения ∆E может быть и отрицательным, и положительным, поэтому рабочая точка О выбирается на середине рабочего участка, т.е. при токе .

При увеличении питающего напряжения E нагрузочная характеристика перемещается параллельно самой себе, а при изменении сопротивления нагрузки R_н изменяется угол наклона характеристики.

Из рис. 5 видно, что изменение напряжения на стабилитроне ∆U_ст (на нагрузке) значительно меньше изменения питающего напряжения E.

Основными параметрами стабилитронов являются напряжение стабилизации U_стаб, дифференциальное (внутреннее) сопротивление R_диф, статическое сопротивление стабилитрона в рабочей точке R_ст = U_стаб / I_стаб, предельно допустимый обратный ток I_{0 обр доп} и температурный коэффициент напряжения ТКН, характеризующий напряжение на стабилитроне при изменении температуры на 1° С при постоянном токе.

Основными параметрами стабилитронов являются:

Номинальное напряжение стабилизации - среднее напряжение стабилизации стабилитрона при 298 К и определенном токе стабилизации

Разброс напряжений  - интервал напряжений, в пределах которого находится напряжение стабилизации прибора данного типа;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации , показывающий, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1К;

Дифференциальное сопротивление стабилитрона , определяет стабилизирующие свойства прибора и показывает, как напряжение стабилизации зависит от тока:

                                         (1)

Минимально допустимый ток стабилизации  - минимальный ток, проходящий через стабилитрон, при котором сохраняются его стабилизирующие свойства; при меньших значениях тока  резко возрастает  и уменьшается ;

Максимально допустимый ток стабилизации - максимальный ток, при котором прибор сохраняет работоспособность длительное время.

Дифференциальное сопротивление стабистора  рассчитывают по формуле                                  (2)

Значение температурного коэффициента напряжения стабилизации  и его знак зависят от напряжения .

Стабилитроны, напряжение стабилизации которых больше 5,5В, имеют , т.е. при увеличении температуры напряжение  увеличивается. При напряжении В стабилитроны имеют  и их напряжение стабилизации с увеличением температуры уменьшается. Стабисторы также имеют .

В стабилизаторах напряжения, работающих в широком диапазоне температур, используют прецизионные стабилитроны с внутренней термокомпенсацией, в которых последовательно их p-n-переходу включен в прямом направлении обычный кремниевый p-n-переход с отрицательным температурным коэффициентом прямого напряжения (рис.6).

Рис.6 Структура прецизионного стабилитрона.

Экспериментальная часть

Задание

Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику и определить напряжение стабилизации U_СТ стабилитрона. Исследовать зависимость выходного напряжения и тока стабилитрона от входного напряжения в цепи параметрического стабилизатора напряжения.

Порядок выполнения эксперимента

1. Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 7) или монтажной (рис. 8). Подайте на вход синусоидальное напряжение от генератора напряжения специальной формы частотой 0,5...1 кГц максимальной амплитуды.

2. Включите и настройте осциллограф в режиме Х-У. Включите инвертирование вертикального входа.

Рис.7

Рис.8

3. Перенесите изображение с экрана осциллографа на график (рис. 9).

4. Определите по осциллограмме напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при прямом токе, дифференциальное сопротивление в середине диапазона стабилизации.

5. Увеличьте частоту в 10 раз и посмотрите, как изменится вольтамперная характеристика. Объясните почему.

Рис. 9

6. Соберите цепь параметрического стабилизатора согласно принципиальной схеме (рис. 10) сначала не включая в неё сопротивление нагрузки.

7. Включите генератор напряжений и, изменяя постоянное напряжение на входе стабилизатора от 0 до максимального значения 13...14 В, снимите зависимость выходного напряжения от входного на холостом ходу. Результаты записывайте в табл. 1 .

Рис. 10

Таблица 1.

8. Установите максимальное напряжение на входе и, включая различные сопротивление нагрузки, согласно табл. 2, снимите зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки.

Таблица 2.

9. На рис. 11 а и б постройте графики U_ВЫХ(U_ВХ) и U_ВЫХ(I_Н).

Рис. 11

10. На графиках укажите минимально допустимое входное напряжение, максимально допустимый ток нагрузки и определите коэффициенты стабилизации по напряжению и по току, приняв U_{ВХ НОМ}=8 В и  I_Н.НОМ=80 мА.

.

Контрольные вопросы

1.На каких физических явлениях основаны принцип работы стабилитрона и стабистора.

2.Какие участки ВАХ стабилитрона и стабистора называются рабочими?

3.Как изменяется напряжение на стабилитроне при изменении протекающего через него тока?

4.Какие свойства стабилитрона оцениваются дифференциальным сопротивлением?

5. Почему стабилитрон и стабистор плохо работают при токах, меньших минимальных токов  стабилизации?

6. Каковы основные параметры стабилитрона?

Скачано с www.znanio.ru