Исследование работы кремниевого стабилитрона

Лабораторная  работа № 1

 

Тема: Исследование работы кремниевого стабилитрона.

Цель: 1. Снять прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики.

2. Рассчитать коэффициент  стабилизации стабилитрона.

 

 

1. 1. Краткие теоретические  сведения

о стабилитроне

 

ВАХ полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок,  который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т.е. в режиме стабилизации, он получается таким же, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, т.к. получаемые от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рис. 1.1. дана типичная ВАХ  стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме стабилизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока такая же, как у обычных диодов.

Кремневые стабилитроны могут изготовлены на малые напряжения (единицы вольт),  а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.

Основными параметрами  кремниевых  стабилитронов являются следующие величины. Напряжение стабилизации U_ст. может быть примерно от 3,3 до 200 В, изменение тока стабилитрона от I_min  до  I_max составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность P_max, рассеиваемая в стабилитроне – от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление R_д = DU / DI в режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных более мощных стабилитронов до 100¸200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения.

Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивление R_д, равное единицам и десяткам Ом. Чем меньше R_д, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы R_д = 0. Так как R_д  является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т.е. сопротивлением постоянному току R₀ = U / I. Сопротивление R₀ всегда во много раз больше R_д. Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который представляет собой относительное изменение напряжения U_ст. при изменении температуры на один градус, т.е.:

 

ТКН = DU_ст. / (U_ст. DТ)

 

Температурный коэффициент  напряжения может быть от  10^-5 до 10^-3  К^-1. Значение U_ст. и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полупроводника. Стабилитроны на напряжения до 6-7 В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением, т.е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах n-p-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен  кремний с меньшей концентрацией примесей, то n-p-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рис.1.2.). Вследствие разброса характеристик и параметров отдельных экземпляров стабилитронов данного типа, их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускается только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рис.1.3), в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое U_ст., нежели стабилитрон VD2. Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации К_ст., который показывает во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем на входе. Для простейшей схемы по рис. 1.4. можно написать:

 

             ,

где Е – напряжение U_вх.

      U_ст. = U_обр.

Практически полупроводниковый  стабилитрон может обеспечить К_ст., равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рис.1.3) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев:

К_ст. = К_ст1.  × К_ст2. …

   И уже при двух звеньях достигает нескольких сотен.

Недостатком рассматриваемых схем стабилизации являются значительные потери мощности в самом стабилитроне и на R_огр., в результате чего сильно снижается К.П.Д. Потери особенно велики в схеме каскадного соединения.

Если имеют место  пульсации напряжения на входе (U_вх. = Е), то стабилитрон значительно сглаживает их, т.к. стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_огр., поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_огр., а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

R_огр. служит для установления и поддержания правильного режима стабилизации и является  для каждой схемы вполне определенной величиной. Обычно R_огр. рассчитывается для средней точки Т характеристики стабилитрона:

 

R_огр. = (Е_ср. – U_ст.) / (I_ср. + I_н),

 

где    Е_ср. = U_вх.ср. = 0,5 (Е_min + Е_max) – среднее напряжение источника питания;

I_ср. = 0,5 (I_min + I_max) – средний ток стабилитрона;

I_н. = U_ст. / R_н. – ток нагрузки.

 

Приборы: электропанель «Полупроводники-микросхемы», блок питания на 30В (БП-30), 2 электронных измерительных прибора DT-830В, стабилитрон КС 156А встроенный в панель, соединительные провода.

 

Подготовка  к работе:

1. Повторить ТБ.
2. Собрать схему для снятия статических характеристик транзистора.
3. Показать схему преподавателю или лаборанту.

 

 

Паспортные  данные стабилитрона КС156А:

 

1. Напряжение стабилизации U_ст. =10 mA:         5,04…5,6…6,16 B
2. Минимальный ток стабилизации:             3 mA
3. Максимальный ток стабилизации:         55 mA
4. Рассеиваемая мощность при Т £+50⁰ С:       300 мВт

 

 

Порядок проведения лабораторной работы.

 

1. Собрать схему, показанную на рис.1.5 и снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона: I_пр =f(U_пр.).

 

Стабилитрон КС156А и  сопротивление номиналом 330 Ом входит в состав монтажной электрической панели. Электронные измерительные приборы подсоединяются к боковым гнездам-переходникам электропанели. Далее происходит подсоединение гнезд-переходников непосредственно к узлам схемы, собранной непосредственно на электропанели. Гнездо прибора с обозначением «СОМ» является общим проводом «–» или «земля», а среднее гнездо с обозначением «VΩmA» – сигнальным «+». Верхнее гнездо у приборов DT-830В остается неподключенным (обозначение «10А»).

Настройка приборов происходит следующим образом: микроамперметр (Р1) – переключателем ставится  предел 200 m на поле «DCA» (изменение постоянного тока); вольтметр (Р2) – переключателем ставится предел 20 на поле «DCV» (изменение постоянного напряжения).

 После измерений  переключатели приборов ставится на поле «OFF» (выключено).

 Ниже, в таблице  1.1 и 1.2, перечислены U_вх. для трех вариантов, для снятия соответственно прямой  и обратной ВАХ стабилитрона:

 

 

 

Табл. 1.1.
Uвх., В
1 вар.	2 вар.	3 вар.
0 1 2 6 10 15	0 2 4 8 12 16	0 1 3 7 10 17

Табл.1.2.
Uвх., В
1 вар.	2 вар.	3 вар.
0 2 4 6 8 10 15	0 1 3 5 7 11 16	0 3 5 7 10 14 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Снятые параметры занести в табл.1.3:

Табл.1.3.

Uвх, В	Uвх, В	Iпр, мА

 

1. Собрать схему, показанную на рис.1.6 и снять обратную ветвь ВАХ стабилитрона: I_обр.=f(U_обр.). Снятые параметры занести в табл.1.4:

Табл.1.4.

Uвх, В	Uобр, В	Iобр, мА

 

2. Построить графики снятых зависимостей в масштабе, удобном для расчета параметров. На графике отметить область стабилизации.

 

3. Произвести расчет коэффициента стабилизации К_ст, ориентируясь по параметрам, записанных в табл. 1.3 и 1.4 и построенным графикам.

 

, где

 

U_вх - разность максимального и минимального входного напряжения.

∆U_вых - возможно минимальная разность между двумя ближайшими значениями напряжения на стабилитроне.

∆U_вх – разность между двумя ближайшими входными напряжениями, соответствующие разности выходного напряжения на стабилитроне.

U_вых – разность максимального и минимального выходного напряжения на стабилитроне.

 

 

Контрольные вопросы.

 

1. Общие сведения о стабилитроне.
2. ВАХ стабилитрона.
3. Основные параметры кремниевых стабилитронов.
4. Схемы включения стабилитронов.
5. К_ст. для различных схем стабилизации.
6. Назначение и расчет R_огр.
7. Достоинства и недостатки полупроводниковых стабилитронов.