3.1. Параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах

Кремниевые стабилитроны (КС) представляют собой разновидность плоскостных кремниевых диодов, в которых используется явление пробоя p-n - перехода.

При подаче на p-n – переход напряжения в обратном направлении выше некоторого предела резко возрастает обратный ток Iобр. Граница резкого возрастания обратного тока определяет напряжение пробоя p-n – перехода, которое затем остается постоянным при изменениях обратного тока в широком диапазоне.

Прямая ветвь p-n – перехода стабилитрона остается такой же, как и у обычных диодов.

На рис. 3.3,а приведена вольт-амперная характеристика стабилитрона. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_CT лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст. Такую характеристику стабилитрона используют для получения стабильного напряжения, например в параметр ич

б)

еских стабилизаторах напряжения.

а)

Рисунок 3.3 Вольт – амперная характеристика (а) и графическое обозначение КС (б)

О

а)

сновными параметрами стабилитрона являются: напряжение на участке стабилизации U_CT; динамическое сопротивление на участке стабилизации r_дин; минимальный ток стабилизации I_ст.min; максимальный ток стабилизации I_ст.max; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации.

Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1—200В и зависит от толщины запирающего слоя p-n-перехода. Участок стабилизации расположен на характеристике стабилитрона от I_ст.min до I_ст.max; I_ст.min1÷10 мА, I_ст.max  25÷1000 мА.

З начение минимального тока I_ст.min ограничено нелинейным участком характеристики стабилитрона, значение максимального тока I_ст.max – допустимой температурой полупроводника.

Н а участке стабилизации r_дин const, для большинства стабилитронов r_дин=0,5÷200 Ом. Зависимость динамического сопротивления r_дин от величины напряжения пробоя Uст для различных токов пробоя показана на рис. 3.5. Большинство типов стабилитронов, выпускаемых в промышленности (табл. 3.2), имеет положительный ТКН. Величина колеблется в зависимости от типа стабилитрон.

И

Рисунок 3.5 – Зависимость динамического сопротивления от тока, протекающего через стабилитрон

з приведенного графика видно, что динамическое сопротивление достигает своего наименьшего значения при напряжении стабилизации, равном примерно Uст=7В. При уменьшении или увеличении напряжения стабилизации динамическое сопротивление увеличивается в значительной степени и зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон.

На рис. 3.5. приведены зависимости динамического сопротивления от величины тока, протекающего через стабилитрон, для стабилитронов групп Д808 – Д813 [4].

Из рис. 3.4 и 3.5 следует, что для уменьшения r_дин ток Iст необходимо поддерживать постоянным, а рабочую точку на вольт- амперной характеристике целесообразно выбирать в области небольших допустимых токов и использовать стабилитроны с Uст=7В. Для низковольтных стабилитронов типа Д808–Д813 динамическое сопротивление находится в пределах от 5 до 35 Ом (табл. 3.1).

У высоковольтных стабилитронов величина динамического сопротивления составляет сотни Ом. Статическое сопротивление r_ст определяется из выражения (3.3) как отношение напряжения стабилизации к току стабилизации

(3.11)

Величина rст у различных кремниевых стабилитронов находится в пределах от 10 до 3000 Ом.

Как и все полупроводниковые приборы, кремниевые стабилитроны являются температурозависимыми. Изменение температуры p–n-перехода стабилитрона приводит к изменению напряжения стабилизации (при небольшом токе, протекающем через стабилитрон). Изменение напряжения стабилизации (при неизменном токе), обусловленное изменением окружающей температуры на один градус, называют температурным коэффициентом напряжения (ТКН)

(3.2)

где Uст₂, Uст₁ – напряжение на стабилитроне соответственно при температуре Т₂ и Т₁; Uст = (Uст₁ + Uст₂)/3.

Из рис. 3.6,а видно, что ТКН имеет положительную величину при значениях пробивного напряжения, превышающих 5–6В, а отрицательную – при меньших значениях и проходит через нуль при пробивном напряжении равном 5,5 – 6В.

Положительный или отрицательный ТКН определяется механизмом пробивного напряжения [4].

Меньшую величину ТКН имеют низковольтные стабилитроны. Температурный коэффициент прямой ветви стабилитронов типов Д808-Д813 всегда отрицателен и составляет примерно – 0,24%/ºС, уменьшаясь с увеличением тока стабилизации.

Таблица 3.1.- Параметры стабилитронов типов Д808 – Д813

Тип стабилитрона	Напряжение стабилизации, В	Ток стабилизации, мА	Динамическое сопро-тивление rдин, Ом	Ток стабилитрона, при котором измеряется rдин, мА	Температурный коэффициент напряжения, %/ºС	Maксимальная мощность рассеяния при 50ºС, мВт
Д808 Д809 Д810 Д811 Д813	7-8,5 8-9,5 9-10,5 10-12 11,5-14	1-33 1-29 1-26 1-23 1-20	12-6 18-10 25-12 30-15 35-18	5 5 5 5 5	0,07 0,08 0,09 0,095 0,095	280 280 280 280 280

Большинство типов стабилитронов, выпускаемых в промышленности (табл. 3.2), имеет положительный ТКН. Величина колеблется в зависимости от типа стабилитрона и может принимать значения в пределах 0,02 – 0,15%/ºС.

Учитывая изложенное, влияние температуры на качество стабилизации можно уменьшить путем применения кремниевых стабилитронов, включенных в прямом направлении последовательно со стабилизирующим стабилитроном, как показано на рис. 3.5. При этом следует иметь в виду, что уменьшение напряжения Uпр с увеличением температуры происходит непропорционально росту напряжения ΔUст и составляет ΔUпр = -1,6 мВ/ºС. Количество термокомпенсирующих диодов, включенных в прямом направлении, выбирается в зависимости от типа и количества кремниевых стабилитронов, включенных в обратном направлении.

Д ля термокомпенсации также могут быть применены германиевые диоды типов Д7А–Д7Ж (табл. 3.2). Вследствие большого различия температурных коэффициентов напряжения даже для стабилитронов одной и той же группы при требовании точной компенсации необходим индивидуальный подбор компенсирующих элементов.

В настоящее время промышленность выпускает термокомпенсированные кремниевые стабилитроны типа Д818, ТКН которых в зависимости от их группы (А-Е) находится в пределах 0,020-0,001 %/ºС (рис. 3.6,б).

Таблица 3.3. - Параметры стабилитронов и диодов в прямом включении
Тип компенсирующего элемента	Напряжение при 20ºС, В (±10%)	Температур-ный коэффициент, %/ºС
Д808 Д809 Д810 Д811 Д813 Д7Е Д7Ж	0,740 0,777 0,758 0,754 0,763 0,218 0,221	0,0024 0,0024 0,0024 0,0024 0,0024 0,0075 0,0075

Важным параметром для КС является максимально допустимая мощность рассеивания. Эта мощность зависит от температуры окружающей среды и уменьшается с ростом последней. Максимальная величина тока через стабилитрон ограничивается допустимой мощность рассеивания. Возможно применение принудительного охлаждения. Не исключено также применение теплоотводящего радиатора.

С точки зрения стабильности для более высоких напряжений стабилизации лучше применять несколько типов низковольтных КС, соединенных последовательно. В этом случае будут меньше ТКН и общее сопротивление, а мощность рассеивания при протекании тока стабилизации Iст. распределится на большее количество элементов.

Время установления напряжения стабилизации после подачи напряжения на стабилитрон или при резком изменении протекающего через него тока у приборов с различным конструктивным оформлением разное и колеблется от 30 секунд до 7 минут. Большее время установления, как правило, имеют стабилитроны с повышенным напряжением стабилизации.

Э лектрические параметры кремниевых стабилитронов обеспечиваются при эксплуатации в режимах, не превышающих максимально допустимых (см. табл. 3.1 и 3.2).

Зная статические и динамические параметры кремниевых стабилитронов, нетрудно выполнить расчет параметрического стабилизатора напряжения.

Таблица 3.3.- Параметры кремниевых стабилитронов мощностью до 10 Вт

Тип стабилитрона	Напряжение стабилизации, В	Ток стабилизации, мА	Динамическое сопротивление rдин, Ом	Ток, при котором измеряется rдин, мА	ТКН, %/ºС	Максимальная мощность рассеяния, мВт при 0С
Д814А Д814Б Д814В Д814Г Д814Д	7-8,5 8-9,5 9-10,5 10-12 11,5-14	1-40 1-36 1-32 1-29 1-24	12-6 18-10 25-12 30-15 35-18	15 15 15 15 15	0,07 0,08 0,09 0,095 0,095	340 340 340 (33ºС) 340 340
Д815А Д815Б Д815В Д815Г Д815Д Д815Е Д815Ж	5-6,16 6,1-7,48 7,38-9 9-11 10,8-13,3 13,5-16,5 16,2-19,6	50-1400 50-1150 50-950 25-800 25-650 25-550 25-450	0,6 0,8 1,0 1,8 2,0 2,5 3,0	1000 1000 1000 500 500 500 500	0,045 0,05 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11	8000 8000 8000 8000 (90ºС) 8000 8000 8000
Д816А Д816Б Д816В Д816Г Д816Д	19,8-24,2 24,3-29,7 29,7-36,3 35,1-42,9 42,3-51,7	10-230 10-180 10-150 10-130 10-110	7 8 10 12 15	150 150 150 150 150	0,12 0,12 0,12 0,12 0,12	5000 5000 5000 (75ºС) 5000 5000
Д817А Д817Б Д817В Д817Г	50,4-61,6 61,2-74,8 73,8-90,2 90-110	5-90 5-75 5-60 5-50	35 40 45 50	50 50 50 50	0,14 0,14 0,14 0,14	5000 5000 5000 (75ºС) 5000
Д818А Д818Б Д818В Д818Г Д818Д Д818Е	9±15% 9±15% 9±10% 9±5% 9±5% 9±5%	3-33 3-33 3-33 3-33 3-33 3-33	70…18 70…18 70…18 70…18 70…18 70…18	10 10 10 10 10 10	+0,02 -0,02 ±0,01 ±0,005 ±0,002 ±0,001	100 100 100 (75ºС) 100 100 100
2С156А 2С168А	5,1-6,1 6,1-7,5	3-55 3-45	46…28 46…28	10 10	0,05 0,06	300 300(50ºС)