График вах стабилитрона: Исследование полупроводниковых диодов | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

Содержание

Исследование полупроводниковых диодов | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

Лабораторная работа выполняется с помощью учебного лабораторного стенда LESO3.

1 Цель работы

С помощью учебного лабораторного стенда LESO3 исследовать вольтамперные характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов различных типов. Исследовать работу однополупериодного выпрямителя.

2 Задание к работе

2.1 Исследовать вольтамперные характеристики (ВАХ) диодов в прямом включении

2.1.1 С помощью соединительных проводников собрать схему для исследования ВАХ диодов в прямом включении (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема исследования ВАХ диодов в прямом включении.   Рисунок 2 – Вид собранной на стенде схемы.

2.1.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 0..1 В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установит 0..10 мА. Выбрать на графике по горизонтальной оси V1, диапазон 0.

.1 В.

2.1.3 Снять вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов при прямом включении. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 по часовой стрелке до тех пор пока ток мА1 не достигнет 10 мА. Обе характеристики должны быть построены на одном графике. Для этого после снятия первой характеристики необходимо нажать кнопку сброса источника E1, вставить следующий диод и повторить измерение характеристики. При необходимости следует увеличить диапазон регулирования источника E1 до 0..2 В.

Рисунок 3 – ВАХ кремниевого и германиевого диодов. Образец.

2.1.4 Сохранить график в заранее подготовленную папку с помощью кнопки для дальнейшей вставки его в отчет.

2.2 Исследовать ВАХ диода при обратном включении

2.2.1 Собрать схему для исследования ВАХ диода при обратном включении (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема исследования ВАХ диодов в обратном включении.
  Рисунок 5 – Вид собранной на стенде схемы.

2.2.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 -10..0В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установить: нижняя граница графика -0,1 mА, верхняя граница 0 mA. Переключить измерительный шунт амперметра mA1 для измерения малого тока, для этого следует нажать на кнопку , расположенную рядом со стрелочным индикатором mA1. Выбрать по горизонтальной оси V1, установить диапазон: левая граница -10В, правая граница 0В.

2.2.3 Снять вольтамперные характеристики германиевого диода в обратном включении при комнатной и повышенной температурах. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки до тех пор, пока напряжение V1 не достигнет -10В. Повышения температуры можно добиться прикосновением пальцев руки к корпусу диода на несколько секунд. Обе характеристики должны быть построены на одном графике (аналогично пункту 2.

1.3).

2.2.4 Сохранить график.

Рисунок 6 – ВАХ диода в обратном включении. Образец.

2.3 Исследовать вольтамперную характеристику стабилитрона при обратном включении

2.3.1 Собрать схему для исследования ВАХ диода при обратном включении, как показано на рисунке 4, установить стабилитрон.

2.3.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 -10..0 В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установить: нижняя граница графика -10 мА, верхняя граница 0 мА. Переключить измерительный шунт амперметра mA1 для измерения большого тока, для этого нажать на кнопку . Выбрать по горизонтальной оси V1, установить диапазон: левая граница -10 В, правая граница 0 В.

2.3.3 Снять ВАХ стабилитрона при обратном включении. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки, до тех пор пока ток мА1 не достигнет -10 мА. На графике должен быть четко виден пробой стабилитрона.

2.3.4 Сохранить график.

Рисунок 7 – ВАХ стабилитрона. Образец.

2.4 Исследовать однополупериодный выпрямитель

2.4.1 Собрать схему исследования однополупериодного выпрямителя (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема исследования однополупериодного выпрямителя.   Рисунок 9 – Вид собранной на стенде схемы.

Установить графопостроитель в режим временных характеристик. Выбрать для верхнего графика прибор V1, а для нижнего V2. Диапазон установить -10..10 В. установить амплитуду источника

E1, постоянную составляющую 0 В. После получения осциллограммы остановить процесс измерения нажав кнопку . Сохранить осциллограмму.

Повторить пункт 2.4.2, изменив полярность включения диода. Сохранить осциллограмму.

Рисунок 10 – Осциллограмма выпрямителя. Прямая полярность диода.   Рисунок 11 – Осциллограмма выпрямителя. Обратная полярность диода.

3. Указания к составлению отчета

3.1 Отчет о проделанной работе должен содержать:

  1. схемы исследования;
  2. графики вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого диодов при прямом включении, изображенные на одних осях;
  3. графики вольтамперных характеристик германиевого диода в обратном включении при комнатной и повышенной температурах, изображенных на одних осях;
  4. график вольтамперной характеристики стабилитрона при обратном включении;
  5. временные диаграммы входного напряжения и напряжения на нагрузке однополупериодного выпрямителя для разных полярностей включения диода.

Все графики должны быть подписаны. По графикам пунктов b. и c. определить прямое и обратное дифференциальные сопротивления и сопротивление постоянному току диодов в заданных рабочих точках.

3.2 Построить график зависимости дифференциального сопротивления от напряжения на диоде.

3.3 На графике пункта d. определить напряжение стабилизации исследуемого стабилитрона. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона в заданной рабочей точке.

3.4 По каждому графику сделать выводы:

  1. чем отличаются характеристики диодов изготовленных из различных материалов?
  2. как и почему влияет температура на ВАХ диода?
  3. как влияет полярность включения диода на выходное напряжение выпрямителя?

Исследование обратной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона 1N4730А

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ»

Отчёт

По лабораторной работе №3

«Исследование обратной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона»

Вариант №10

Выполнила: Соболева Е. Ю.

Группа: Фт-35051.

Проверил: Пономарёв А.В.

Екатеринбург, 2008

Схема.

Результаты измерений.

Ток через стабилитрон, А

Напряжение на стабилитроне, В

-8.880E-07

-0.828

-9.770E-06

-3.660

-1.000E-04

-3.732

-1.000E-03

-3.792

-5.000E-03

-3. 834

-1.000E-02

-3.852

-1.500E-02

-3.863

-2.000E-02

-3.870

-2.500E-02

-3.876

-3.000E-02

-3.881

График.

График зависимости обратного напряжения на стабилитроне от протекающего через него тока.

I – ток протекающий через стабилитрон в амперах.

U – напряжение на стабилитроне.

Ответы на вопросы.

1.В эксперименте используется источник тока, стабилитрон 1N4730A, последовательно в цепь включен амперметр для снятия значений тока через стабилитрон, а параллельно стабилитрону — вольтметр для снятия значений напряжения на нём.

2.На обратном участке ВАХ доминирующим является дрейфовый ток неосновных носителей заряда через переход.

3.Т.к. напряжения пробоя равно 3.85 (Uстб<5В), то механизм пробоя в данном стабилитроне туннельный.

4.По полученным данным и по графику, можно сказать, что напряжение пробоя составляет 3.85В

5.Дифференциальное сопротивление прибора на участке стабилизации в диапазоне токов 10 – 30 мА рассчитываем по формуле Rдиф = ΔUст/ΔIст.

ΔUст = 0.029В

ΔIст = 20мА

Rдиф = 1.45Ом

Типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.

Диоды полупроводниковые

На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.

В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы. В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока.

 

В той части обозначения, где располагается треугольник, находится p-область, которую ещё называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок, находится n-область, которую соответственно называют катодом, или базой.

Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создаёт очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.

Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь pn-перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные pn-переходы соответствующие последнему слову науки и техники.

Технология создания pn-перехода получается, за счёт ввода в полупроводник p-или n-типа примеси, которая создаёт в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.

Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».

Простейший выпрямитель

 

 

В ходе положительного полупериода входного напряжения U1 диод V работает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке RH напряжение U2 практически равно входящему напряжению.

График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя

При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю. В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.

Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.

Схема простейшего стабилизатора напряжения

 

 

В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от Iст. мин. до Iст. макс. напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка RH включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.

График стабилитрона

 

 

Такими диодами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 В и выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.

Вольтамперная характеристика стабистора

 

Плоскостные диоды обладают с высокими ёмкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть ёмкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади pn-перехода.

В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными pn-переходами. Нужный точечный pn-переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта pn-переход. Микросплавными называются такие диоды, у которых pn-переход создаётся при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.

Последовательное включение стабилитронов. Принцип работы и маркировка стабилитронов. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять стабилитроны последовательно с тем, чтобы обратное напряжение на каждом стабилитроне не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров стабилитронов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между стабилитронами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование стабилитронов резисторами (рисунок 3). Сопротивления R ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений стабилитронов. Однако R ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение стабилитронов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного стабилитрона. Но если стабилитроны одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных стабилитронов может составлять десятки процентов.(дорисовать палочку в диоде чтобы получился стабилитрон)

Однополупериодный выпрямитель

Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности («+» приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

Большой коэффициент пульсаций;

Малые значения выпрямленного тока и напряжения;

Низкий КПД, т. к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Рабочий режим ПД

Режим диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не пред­ставлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопро­тивления диода постоянному току R o и сопротивления нагрузочного резистора R н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R o у него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и и. А для сопротивления R H подобным

уравнением является закон Ома: i = u R /R H = (Е — u )/R н. Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

ВАХПД.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными . Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными . Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I =I 0 , где I 0 – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; U Д – напряжение на p-n- переходе; j T – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на p-n- перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T =300 K, j T =0. 025 В).

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n -переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n -перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

Переход метал-ПП.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла А м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А т то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход

не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А п В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа А п то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шоттки

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U Н = U ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U ст + R ст (I ст – I Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R СТ. Обычно R СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E min  E  E max , то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U CT , а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Все изменения напряжения поглощаются R CT , поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R Н изменяется в пределах от R Н min до R Н max , в этом случае:
,
;
.

Так как R CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U CT также постоянно, то и ток через R CT I CP +I Н CP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I CP и I Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R CT необходимо уменьшать (уменьшать R CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R CT должно быть постоянным.

U Н =U CT ─I Н R доб

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U CT =U CT 1 +U CT 2

Для компенсации температурного дрейфа U CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R T , имеющее ТКR Т обратный по закону ТКU CT .

Для стабилитронов с ТКU CT >0 в качестве R T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

1.10.2. Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r б и малое значение R диф. Слабая зависимость U ПР от I ПР на

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). Его можно рассматривать как делитель напряжения , в котором в качестве нижнего плеча используется стабилитрон. Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Стабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи.

Расчёт параметрического стаилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборах, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов как правило не содержат емкостных фильтров, а конструктору не нужно учитывать переходные процессы в этих фильтрах. В стабилизаторах на полупроводниковых стабилитронах гистерезис отсутствует, фильтрующие конденсаторы подключаются непосредственно к выводам стабилитрона и нагрузки — как результат, конструктор обязан учитывать броски тока заряда (разряда) этих емкостей при включении (выключении) питания. Наихудшими случаями, при которых вероятен выход из строя элементов стабилизатора или срыв стабилизации, являются:

  • Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при коротком замыкании выхода стабилизатора на общий провод — к примеру, на время зарядки разряженного конденсатора, подключенного непосредственно к выходу стабилизатора, или при катастрофическом отказе стабилитрона. Допустимая мощность рассеивания балластного резистора должна быть достаточной, чтобы выдержать подобное замыкание. В противном случае вероятно разрушение балластного резистора.
  • Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при отключении нагрузки от выхода стабилизатора. Допустимый ток стабилитрона должен превышать расчётный ток через балластный резистор, определяемый по закону Ома. В противном случае при разогреве кристалла стабилитрона свыше +175 °С стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов .
  • Отбор нагрузкой максимально возможного тока при подаче на вход стабилизатора минимально возможного напряжения питания. Сопротивление балластного резистора должно быть достаточно мало, чтобы и в этих условиях ток через резистор превышал ток нагрузки на величину, равную минимально допустимому току стабилитрона. В противном случае ток стабилитрона прерывается, стабилизация прекращается.

На практике часто оказывается, что соблюсти все три условия нельзя как по соображениям себестоимости компонентов, так и из-за ограниченного диапазона рабочих токов стабилитрона. В первую очередь можно поступиться условием защиты от короткого замыкания, доверив её плавким предохранителям или тиристорным схемам защиты, или положиться на внутреннее сопротивление источника питания, которое не позволит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно.

Последовательное и параллельное включение

В документации на стабилитроны иностранного производства возможность их последовательного или параллельного включения обычно не рассматривается. В документации на советские стабилитроны встречаются две формулировки:

  • для приборов малой и средней мощности «допускается последовательное или параллельное соединение любого числа стабилитронов» [одной серии];
  • для приборов средней и большой мощности «допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов [одной серии]. Параллельное соединение допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой мощности для одного стабилитрона».

Последовательное соединение стабилитронов разных серий возможно при условии, что рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии. Шунтировать стабилитроны высокоомными выравнивающими резисторами так, как это делается в выпрямительных столбах, нет необходимости. «Любое число» последовательно соединённых стабилитронов возможно, но на практике ограничено техническими условиями на электробезопасность высоковольтных устройств. При соблюдении этих условий, при подборе стабилитронов по ТКН и их термостатировании возможно построение прецизионных высоковольтных эталонов напряжения. К примеру, в 1990-е годы лучшие в мире показатели стабильности имел стабилитронный эталон на 1 миллион В, построенный российской компанией «Мегавольт-Метрология» по заказу канадского энергетического института IREQ. Основная погрешность этой установки не превышала 20 ppm, а нестабильность по температуре — не более 2,5 ppm во всём рабочем диапазоне температур.

Составной стабилитрон

Если схема требует снимать со стабилитрона большие токи и мощности, чем это допустимо по техническим условиям, то между стабилитроном и нагрузкой включают буферный усилитель постоянного тока . В схеме «составного стабилитрона» коллекторный переход единственного транзистора, усиливающего ток, включен параллельно стабилитрону, а эмиттерный переход — последовательно со стабилитроном. Сопротивление, задающее смещение транзистора, выбирается таким образом, чтобы транзистор плавно окрывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при I ст.ном. =5 мА и U бэ.мин. =500 мВ сопротивление R=500 мВ/5 мA=100 Ом, а напряжение на «составном стабилитроне» равно сумме U ст.ном. и U бэ.мин. . При больших токах тразистор открывается и шунтирует стабилитрон, а ток стабилитрона прирастает незначительно — на величину, равную току базы транзистора, поэтому в первом приближении дифференциальное сопротивление схемы уменьшается в раз (- коэффициент усиления транзистора по току). ТКН схемы равен алгебраической сумме ТКН стабилитрона при I ст.ном. и ТКН прямо смещённого диода (примерно -2 мВ/°C), а её область безопасной работы на практике ограничена ОБР применяемого транзистора.

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста .

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора также содержит только стабилитрон, транзистор и балластное сопротивление, но транзистор в ней включен по схеме с общим коллектором (эмиттерным повторителем). Температурный коэффициент такого стабилизатора равен алгебраической разнице U ст.ном. стабилитрона и U бэ.мин. транзистора; для нейтрализации влияния U бэ.мин. в практических схемах последовательно со стабилитроном включают прямо включенный диод VD2. Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Умножение напряжения стабилизации

Для стабилизации напряжения, превосходящего максимальное напряжение типовых малогабаритных стабилитронов, можно собрать составной «высоковольтный стабилитрон», например, набрать напряжение 200 В из последовательно соединённых стабилитронов на 90, 90 и 20 В. Но в тоже время напряжение шумов и нестабильность такой схемы могут оказаться неприемлемо высоки, а фильтрация шума высоковольтной цепочки потребует дорогих, массивных конденсаторов . Существенно лучшие характеристики имеет схема с умножением напряжения единственного малошумящего низковольтного стабилитрона на напряжение 5…7 В. В этой схеме, также как и в обычном термокомпенсированном стабилитроне, опорное напряжение равно сумме напряжения пробоя стабилитрона и напряжения перехода база-эмиттер биполярного транзистора. Коэффициент умножения опорного напряжения определяется делителем R2-R3. Действительный коэффициент умножения несколько больше расчётного из-за ответвления тока в базу транзистора.

По соображениям безопасности и простоты монтажа в стабилизаторе положительного напряжения удобнее применять pnp-транзистор, в стабилизаторе отрицательного напряжения — npn-транзистор. В таких конфигурациях коллектор силового транзистора электрически соединён с общим проводом и его можно крепить непосредственно к шасси без изолирующих прокладок. По соображениям доступности и себестоимости в стабилизаторах любой полярности проще и дешевле применять npn-транзисторы. При напряжениях и токах, типичных для ламповых усилителей, ёмкость конденсатора, шунтирующего стабилитрон, должна составлять несколько тысяч мкФ. При том она не только фильтрует низкочастотный шум стабилитрона, но и обеспечивает плавное нарастание напряжения при запуске схемы. Как результат, при включении питания возрастает тепловая нагрузка на последовательное сопротивление R1.

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Термокомпенсированные стабилитроны обычно питаются постоянным током от транзисторного или интегрального источника тока. Использование базовой схемы с балластным резистором не имеет смысла, поскольку даже при питании схемы стабилизированным напряжением нестабильность по току будет неприемлемо велика. Слаботочные стабилитроны на ток 1 мА обычно запитываются от источников тока на биполярных транзисторах, полевых транзисторах с p-n-переходом, стабилитроны на ток 10 мА — от источников тока на МДП-транзисторах со встроенным каналом в режиме обеднения. Интегральные источники тока семейства LM134/LM334 допускают токи до 10 мА, но не рекомендуются к применению в схемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C).

Высокоомные нагрузки с постоянным, относительно термостабильным, сопротивлением можно подключать непосредственно к выводам стабилитрона. В иных случах между стабилитроном и нагрузкой включается буферный усилитель на прецизионном операционном усилителе или на дискретных биполярных транзисторах. В грамотно спроектированных схемах такого рода, прошедших длительную электротермотренировку, нестабильность при длительной работе составляет порядка 100 ppm в месяц — существенно выше того же показателя прецизионных интегральных ИОН.

Генератор белого шума на стабилитроне

Собственные шумы стабилитрона лавинного пробоя имеют спектр, близкий к спектру белого шума. В стабилитронах на напряжение 9…12 В уровень шума достаточно высок для того, чтобы его можно было использовать для целенаправленной генерации шума. Частотный диапазон такого генератора определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. На приведённых иллюстрациях показаны две возможные конструкции усилителей: в первом случае верхняя граничная частота усилителя (1 МГц) задаётся ёмкостью С2, во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа.

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём. Отдельные ранние серии стабилитронов отличались особо высоким уровнем шума, но по мере совершенствования технологии их вытеснили малошумящие приборы. Поэтому в серийных изделиях более оправдано применение не стабилитронов, а высокочастотных биполярных транзисторов в обратном включении, например, разработанного ещё в 1960-е годы транзистора 2N918 — спектр его шума простирается до 1 ГГц.

Программируемые перемычки на стабилитронах

Стабилитрон на базе обратно-смещённого эмиттерного перехода интегрального планарного npn-транзистора («поверхностный стабилитрон») отличается от дискретных стабилитронов малым предельным током стабилизации. Максимальный обратный ток, допустимый в типовой эмиттерной структуре с металлизацией алюминием , не превышает 100 мкА. При больших токах в приповерхностном слое происходит видимая глазу вспышка и под слоем оксида возникает алюминиевая перемычка, навсегда превращающая погибший стабилитрон в резистор с сопротивлением около 1 Ом.

Этот недостаток интегральных стабилитронов широко используется в производстве аналоговых интегральных схем для точной подстройки их параметров. В технологии пережигания стабилитронов (англ. zener zapping ) параллельно с коммутируемыми сопротивлениями формируются элементарные стабилитронные ячейки. При необходимости скорректировать величину сопротивления цепи или коэффициент делителя напряжения ненужные стабилитронные ячейки пережигаются импульсами тока длительностью 5 мс и силой 0,3-1,8 A, закорачивая соответствующие им резисторы. Тот же приём может применяться и в цифровых ИС с металлизацией алюминием.

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U Н = U ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U ст + R ст (I ст – I Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R СТ. Обычно R СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E min £ E £ E max , то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U CT , а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Все изменения напряжения поглощаются R CT , поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R Н изменяется в пределах от R Н min до R Н max , в этом случае: , ; .

Так как R CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U CT также постоянно, то и ток через R CT I CP +I Н CP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I CP и I Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R CT необходимо уменьшать (уменьшать R CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R CT должно быть постоянным.

U Н =U CT ─ I Н R доб

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U CT =U CT 1 +U CT 2

Для компенсации температурного дрейфа U CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R T , имеющее ТКR Т обратный по закону ТКU CT .

Для стабилитронов с ТКU CT >0 в качестве R T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r б и малое значение R диф. Слабая зависимость U ПР от I ПР на

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

Туннельные диоды

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы, ВАХ которых имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 24).

Туннельные диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей. Вследствие этого толщина запирающего слоя p-n-перехода очень мала (0,01¸0,02мкм), что создает условия для туннельного эффекта.

Наличие высокой концентрации примесей вызывает расщепление примесных уровней в зоны и сильное искривление энергетических зон.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n-перехода.

При подаче прямого смещения возрастает поток электронов туннелированных из n области в p. По мере роста U пр происходит увеличение I пр, который достигает I max при U 1 (0 ¸ 1) (для германиевых диодов U 1 = 40 ¸ 50 мВ; для арсенид галлиевых — U 1 = 100 ¸ 150 мВ). При этих смещениях величина диффузионного тока через потенциальный барьер ничтожна, и I пр определяется только туннельным эффектом. При дальнейшем увеличении U ПР, I ПР уменьшается (перекрытие энергетических зон уменьшается). При U ПР = U 2 туннельный ток равен нулю (1¸2).

Этот участок ВАХ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением т.к. DI

В т.2 I ПР = I min – это обычный прямой диффузионный ток диода. (т.е. в т.2 туннельный диод ведет себя как обычный диод), туннельный эффект закончился.

При дальнейшем увеличении U ПР, I ПР увеличивается (2¸3) за счет роста диффузионного тока – преодоление электронов потенциального барьера.

Основные особенности ВАХ туннельных диодов:

Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением R диф;

Большие токи при обратных смещениях.

Основные параметры:

Ток максимальный I max – соответствует пику ВАХ;

Ток минимальный I min – соответствует минимуму ВАХ;

Напряжение пика U 1 – соответствует току I max ;

Напряжение U 2 – соответствует I min ;

Максимальный I ПР;

U ПР соответствует I ПР max ;

Постоянное обратное напряжение;

Емкость диода.

Туннельные диоды используются в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия (до 1000 мГц).

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенность – это практическое отсутствие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на прямой ветви ВАХ (рис. 25).

По форме ВАХ обращенного диода представляет перевернутую ВАХ обычного диода.

Открытое состояние для таких диодов соответствует обратному смещению. При обратном смещении ток через диод очень сильно зависит от напряжения. Достоинство – диоды могут работать при очень малых напряжениях.

Они обладают хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование процесс малоинерционный, а смещения малы, поэтому практически отсутствует инжекция и накопление неосновных носителей.

Обращенные диоды используются в диапазоне СВЧ. Достоинством туннельных и обращенных диодов является высокая радиационная стойкость, вследствие высокой концентрации примесей.

Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, который используется как нелинейная емкость, управляемая напряжением (емкость p-n-перехода – функция приложенного напряжения).

В варикапах используется барьерная емкость, т.к. диффузионная зашунтирована малым прямым сопротивлением p-n-перехода.

Варикап работает при обратных смещениях на p-n-переходе. Его емкость меняется в широких пределах (10¸1000 пФ) и определяется выражением:

,

где С 0 – емкость при U Д = 0, U K – значение контактного потенциала, U – приложенное обратное напряжение, n =2 – для резких p-n переходов, n=3 – для плавных переходов. С ростом U обр емкость уменьшается. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (ВФХ) (рис. 26).

Основные параметры:

Емкость варикапа С в – емкость, измеренная при заданном U обр;

Коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей при двух заданных U обр; ,

− сопротивление потерь r П – суммарное активное сопротивление варикапа;

− добротность Q B – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте Х С к сопротивлению потерь ;

ТКС В – температурный коэффициент С В.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для отображения информации. Светодиод (СИД) получают на основе p-n или гетеропереходов с выпрямляющей ВАХ (рис. 27).

Излучение в области перехода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока. При этом рекомбинирующий электрон переходит из ЗП в ВЗ с выделением кванта света с энергией hu »DW 3З. Для получения квантов видимого света ширина ∆W ЗЗ должна составлять DW 3 ³1,7эВ. При DW 3

Такой величиной DW 33 обладают полупроводниковые соединения GaAsP с различным соотношением элементов 1,4

В обычных плоских переходах, кванты света поглощаются в кристалле полупроводника вследствие внутреннего отражения. Поэтому в СИД используют сферическую форму кристалла, либо плоский кристалл полупроводника вплавляют в сферическую каплю стекла или пластика, что снижает эффект внутреннего отражения (рис. 28).

Похожая информация.

Стабилитрон, он же диод Зенера, назван в честь первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера и на схемах обозначается следующим образом.

Но в отличие от выпрямительного диода ток через него может течь в обоих направлениях.


Для лучшего понимания его работы, можно представить его как два диода, включённых встречно-параллельно, но с разным падением напряжения.


Для любого стабилитрона, падение напряжение на одном из его диодов равно примерно 0.7 вольт, а падение напряжение на другом зависит от выбранного стабилитрона, так как разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 вольт). Например, для BZX55C3V3 прямое падение напряжение равно 0.7 вольта, а напряжение пробоя, по нашей аналогии падение напряжения на втором диоде, равно 3.3 вольта.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт — амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.


Правая ветвь ВАХ аналогична ВАХ диода, а левая отвечает за тот самый туннельный пробой. Пока обратное напряжение не достигло напряжения пробоя, ток через стабилитрон практически не течёт, не считая утечки. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, в определенный момент начинается пробой, он характеризуется загибом ВАХ. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к туннельному пробою, в этом состоянии ток через стабилитрон растёт, а напряжение нет.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.


Давайте соберём её, подключив осциллограф вместо нагрузки и подадим на вход треугольный сигнал амплитудой 10 вольт. Напряжение генератора — первый канал, напряжение на стабилитроне — второй канал.


На осциллограмме видно, что напряжение на стабилитроне изменяется от -0,88 до 3,04 вольта.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными.
При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.


При обратном включении стабилитрона, когда на аноде минус, на катоде плюс.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.

  • Vz напряжение стабилизации , обычно указывается минимальное и максимальное значение
  • Iz и Zz минимальный ток стабилизации и сопротивление стабилитрона
  • Izk и Zzk — ток и сопротивление в точке, где начинается «излом» характеристики
  • Ir и Vr — обратный ток и напряжение при заданной температуре
  • Tc — температурный коэффициент
  • Izrm — максимальный ток стабилизации
Что же произойдёт когда мы подключим нагрузку?
Ток, протекающий через стабилитрон уменьшиться, так как часть его потечёт через нагрузку. Вопрос в том насколько уменьшится, если ток через стабилитрон станет меньше минимального тока стабилизации стабилитрон перестанет стабилизировать напряжение и всё напряжение питания окажется приложенным к нагрузке. Из этого можно сделать вывод, что при отключенной нагрузке ток через стабилитрон должен быть равен сумме 2-х токов, минимального тока стабилизации и тока нагрузки.
Эта сумма токов задается с помощью гасящего резистора, в нашей схеме его номинал 1К.

Формула для его вычисления выглядит следующим образом

Цепи ограничения диодов

— Electronics-Lab.com

Цепи ограничения диодов

Диодный ограничитель — это электронная схема, состоящая из диода (диодов), который фиксирует или отсекает входной сигнал. Выходной сигнал схемы ограничения зависит от ориентации диода и входного сигнала. Такая схема называется Diode Clipper. Ограниченный сигнал, создаваемый на выходе, становится плоским, когда достигается определенный предел напряжения, и поэтому его также называют ограничителем диодов.

Полупериодный выпрямитель является примером схемы ограничения диода, потому что, когда диод смещен в прямом направлении, любое напряжение ниже нуля отсекается, и аналогично, когда диод смещен в обратном направлении, любое напряжение выше нуля отсекается.Примечательно, что наиболее распространенные схемы ограничения используются в схемах защиты по напряжению и формировании сигналов. В частности, оборудование, требующее, чтобы напряжение не превышало определенных уровней напряжения, таких как перенапряжения, скачки и т. Д. Обычные диоды, стабилитроны и диоды Шоттки могут использоваться для изменения входного сигнала.

Обычно обычные диоды и диоды Шоттки используются в модификациях сигналов, а стабилитроны — в схемах защиты по напряжению.

Принцип работы

Из предыдущих статей известно, что обычный диод может работать в условиях прямого или обратного смещения.При прямом смещении после определенного падения напряжения (0,7 В для кремния и 0,3 В для германия) начинает течь ток, а падение напряжения на диоде остается постоянным (0,7 В или 0,3 В). В то время как при обратном смещении диод не проводит, и входной сигнал отражается через диод без изменений. Проще говоря, для идеального диода он закорачивается при прямом смещении и размыкается при обратном смещении.

Входной сигнал может иметь любую форму или форму, которая может быть однонаправленной или двунаправленной, в зависимости от применения схемы.Синусоидальный сигнал, который является наиболее часто используемым переменным (двунаправленным) сигналом, используется для объяснения ограничения диода.

Положительное ограничение диода

Схема ограничения положительного диода ограничивает только положительный полупериод входного синусоидального сигнала.

Рисунок 1: Схема ограничения положительного диода

На приведенном выше рисунке сначала диод не проводит (открыт) до тех пор, пока входное напряжение не достигнет около 0,7 В в течение положительного полупериода. Как только диод начинает проводить, на диоде появляется только прямое падение напряжения, независимо от величины входного напряжения.Положительный полупериод выходной волны изображает это сглаженной формой. Во время отрицательного полупериода диод остается смещенным в обратном направлении (разомкнутым), и весь входной сигнал появляется на диоде. Такая схема ограничивает только входной сигнал во время положительных циклов, то есть любое напряжение выше +0,7 В. будет ограничено.

Отсечение отрицательного диода

В отличие от схемы ограничения положительного диода, следующая схема ограничения ограничивает напряжение только во время отрицательных циклов.Принцип работы такой же, как и для схемы ограничения положительного диода, за исключением того, что смещение диода противоположное. Отрицательная схема ограничения ограничивает отрицательное напряжение до -0,7 В, и любое значение меньше этого будет отсечено.

Рисунок 2: Схема ограничения отрицательного диода

Ограничитель положительного и отрицательного цикла

Комбинация как положительной, так и отрицательной цепей ограничения представляет собой схему ограничения, которая ограничивает напряжение в обоих циклах. Диоды размещены в обратном параллельном расположении, и один из них проводит, а другой остается открытым.Во время положительного полупериода диод D 1 проводит, а D 2 остается открытым. Обратное действие происходит во время отрицательного цикла. Форма выходного сигнала ограничена до +0,7 В во время положительных полупериодов и до -0,7 В во время отрицательных полупериодов.

Рисунок 4: Схема ограничения диода смещения положительного цикла

Цепи ограничения смещения диода

Ограничение напряжения, создаваемое схемами ограничения только на диодах, ограничивается прямым падением напряжения. Чтобы увеличить ограничение, напряжение смещения используется последовательно с диодом, чтобы увеличить уровень напряжения, при котором он начинает проводить.В диодных ограничителях только положительного цикла катод диода находится под нулевым потенциалом, и для его прямого смещения требуется напряжение +0,7 В на аноде. Однако с добавлением напряжения смещения, такого как батарея EMF, включенная последовательно с диодом, потенциал катода увеличивается до V BIAS , и теперь для прямого смещения требуется + 0,7 + V BIAS .

Ограничитель диодов с положительным смещением

На следующем рисунке показана схема ограничителя на диоде положительного смещения. Эта схема ограничивает любое напряжение выше +0.7 + V Смещение .

Ограничитель отрицательного смещения диода

Аналогично схеме ограничителя положительного смещения диода, добавляется напряжение смещения последовательно с диодом, но с обратной полярностью. Смещение способствует обратному смещению диода, и для прямого смещения диода требуется повышенное напряжение по сравнению с несмещенным диодом. Такая схема ограничивает любое напряжение ниже -0,7-В BIAS .

Рисунок 5: Схема ограничения смещения отрицательного цикла

Ограничитель смещения положительного и отрицательного цикла

Чтобы отсечь как положительный, так и отрицательный цикл, положительный и отрицательный диоды смещения объединены.Напряжение смещения для каждой ветви может быть одинаковым или различным в зависимости от требований или применения схемы ограничения. Кроме того, ограничитель переменного напряжения может быть выполнен с использованием источника переменного напряжения.

Рисунок 6: Схема ограничения смещения диода положительных и отрицательных циклов

На приведенном выше рисунке для иллюстрации работы во время положительных и отрицательных циклов используются разные напряжения смещения. Ограничение происходит при + 0,7 + 3 = 3,7 В и -0,7-5 = -5,7 В для положительного и отрицательного циклов соответственно.

Выходной сигнал очень низкой амплитуды сильно ограничивается, что приводит к прямоугольной форме волны. Точно так же сигнал высокой амплитуды ограничивается в небольшой степени, и на выходе получается прямоугольная волна. Диодные схемы используются для устранения шума, флуктуаций и всплесков входного сигнала.

Стабилитрон

Подходящий клипер — это клиппер, который может быть сконструирован таким образом, чтобы ограничивать напряжение точно и с минимальным количеством компонентов. Ограничитель на диоде смещения требует напряжения смещения, что увеличивает усилие и стоимость схемы.Требование напряжения смещения можно избежать, используя стабилитроны в схемах ограничения. Как описано в статье о стабилитронах, стабилитрон работает как обычный диод (прямое падение напряжения 0,7 В) при прямом смещении, но в обратном направлении он начинает проводить напряжение выше стабилитрона (V Z ). Обратный ток быстро увеличивается, в то время как напряжение на стабилитроне остается довольно постоянным. Для быстрого увеличения тока стабилитрона требуется подходящее последовательное сопротивление, чтобы защитить его от повреждений.

На следующей диаграмме стабилитрон используется для ограничения обоих циклов. Однако ограничение отрицательного цикла в некоторой степени ограничивается прямым падением напряжения. Стабилитрон проводит ниже этого прямого падения напряжения во время отрицательных циклов и выше напряжения Зенера (V Z ) во время положительных циклов.

Рисунок 7: Цепь ограничения стабилитрона положительного цикла

На следующем рисунке показан двухполупериодный ограничитель на двух стабилитронах. В этой схеме оба цикла ограничиваются напряжениями стабилитрона (V Z ) соответствующих стабилитронов.Просто Z D1 ограничивает положительные циклы, а Z D2 ограничивает отрицательные циклы до V Z1 и V Z2 соответственно.

Рисунок 8: Положительные и отрицательные циклы. Схема ограничения стабилитрона

. Стабилитроны доступны в широком диапазоне, имеющем различные уровни напряжения стабилитрона, и как таковые могут использоваться в схемах ограничения напряжения для получения требуемых ограничений по напряжению. Ограничители на основе стабилитронов чаще всего используются в схемах защиты по напряжению.

Заключение

  • Схема ограничения ограничивает или выравнивает напряжение на определенном уровне.
  • Ограничение / формирование формы выходного сигнала зависит от входного сигнала и самой схемы.
  • Ограничение может быть получено для обоих циклов включением двух диодов.
  • Различные уровни напряжения ограничения могут быть получены путем последовательного смещения напряжений на диодах.
  • Стабилитрон также может использоваться в схемах ограничения, работая в области пробоя стабилитрона.
  • Схема ограничения на основе стабилитронов исключает использование напряжения смещения диода.

Shahram Marivani — ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Цель:

Целью этого эксперимента является изучение рабочих характеристик и характеристик двухполупериодных выпрямителей и источников питания постоянного тока, использующих стабилитрон в качестве устройства стабилизации напряжения. Будут изучены и измерены характеристики двухполупериодного выпрямителя, а также стабилитрона.

Введение:

Одно из важных применений диодов с P-N переходом — преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC).Можно использовать полуволновые выпрямители, но они крайне неэффективны при преобразовании мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Кроме того, они имеют высокое содержание гармоник, которые трудно отфильтровать и сгладить пульсации выпрямленного переменного тока. С другой стороны, двухполупериодный выпрямитель повышает эффективность преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Это также уменьшит содержание гармоник в выпрямленной форме волны и снизит требования к сглаживающему фильтру, необходимому для уменьшения пульсаций в выпрямленной форме волны.Типичная форма сигнала двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке 1.


Рисунок 1 — Формы выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя; темная линия — это отфильтрованный вывод, а более тонкая линия — нефильтрованный вывод. Стабилитроны

— это специальные диоды, предназначенные для поддержания фиксированного напряжения на нагрузке. Они предназначены для «пробоя» надежным и неразрушающим образом, когда они смещены в обратном направлении напряжением, превышающим напряжение пробоя. Типичная характеристика постоянного тока стабилитрона показана на рисунке 2.Перегиб в области обратного смещения на рисунке 2 — это «напряжение пробоя» стабилитрона. Однако это напряжение также известно как напряжение Зенера.


Рисунок 2 — Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона. Стабилитроны

имеют номинальное напряжение пробоя и максимальную мощность. Минимальное доступное напряжение стабилитрона составляет 2,7 В, тогда как номинальная мощность составляет 400 мВт и 1,3 Вт. Схема подключения стабилитрона в качестве базовой цепи стабилизации напряжения показана на рисунке 3.


Рисунок 3 — Подключение стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Полный и стабилизированный источник питания может быть получен с помощью выпрямительных диодов для изменения мощности переменного тока на мощность постоянного тока. Выпрямленное напряжение фильтруется, чтобы уменьшить пульсации выпрямленного сигнала. Затем используется стабилитрон для регулирования напряжения до желаемого конечного значения. Простая блок-схема источника питания показана на рисунке 4.

На блок-схеме Рисунка 4 каждый отдельный блок описан более подробно ниже:

  • Трансформатор: понижает напряжение сети переменного тока высокого напряжения до переменного тока низкого напряжения.
  • Диодный выпрямитель: преобразует переменный ток в постоянный, но на выходе постоянного тока присутствует большая составляющая пульсаций.
  • Фильтр: сглаживает постоянный ток от сильных колебаний и снижает составляющую пульсации.
  • Регулятор напряжения: устраняет пульсации, устанавливая на выходе постоянного тока фиксированное напряжение.
  • Нагрузка: это часть цепи, на которую подается питание постоянного тока для выполнения полезной работы.

Рисунок 4 — Простая блок-схема стабилизированного источника постоянного тока.

Лабораторные работы:

  1. Измерение постоянной характеристики стабилитрона:
    1. Установите напряжение постоянного тока источника питания на 0 В.
    2. Подключите схему стабилитрона, как показано на рисунке 5.
    3. Изменяйте напряжение питания постоянного тока небольшими шагами. Используйте цифровой вольтметр, измерьте V в , V R и V D , как показано на рисунке 5. Сведите данные измерений в таблицу.
    4. Для каждого шага рассчитайте постоянный ток через диод, который равен (В R /2000).
    5. Поменяйте полярность источника питания постоянного тока на рис. 5. Повторите шаги измерения, начиная с 1.от a до 1.d.

    Рисунок 5 — Схема подключения для измерения характеристики постоянного тока стабилитрона
  2. Характеристика мостового выпрямителя:
    1. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 6, на котором R L = 1 кОм. Не подключайте конденсатор к нагрузке.
    2. Monitor V o (см. Рисунок 6) на осциллографе. ЗАПРЕЩАЕТСЯ контролировать V s и V o на осциллографе одновременно.Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемую форму волны. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R L .
    3. Подключите 47 мкФ к R L . Наблюдайте за V или на осциллографе и фиксируйте осциллограмму. Повторите измерение с конденсатором 10 мкФ. Сравните две формы выпрямленного сигнала, полученные с разными конденсаторами.
    4. Измените нагрузочный резистор на 10 кОм и 100 кОм и контролируйте выпрямленное напряжение на выходе.Прокомментируйте влияние сопротивления нагрузки на пульсации на выходе.

  3. Рисунок 6 — Нефильтрованный двухполупериодный выпрямитель с мостовым соединением диодов
  4. Характеристика двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом:
    1. Выполните необходимые измерения на трансформаторе с центральным ответвлением, чтобы определить, какой вывод является центральным ответвлением.
    2. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 7, на котором R L = 1 кОм.Не подключайте конденсатор к нагрузке.
    3. Контролируйте на осциллографе одновременно V s и V o (см. Рисунок 7). Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемые формы сигналов. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R L .
    4. Подключите 47 мкФ к R L . Наблюдайте за V s и V o на осциллографе и фиксируйте обе формы сигнала.

  5. Рисунок 7 — Нефильтрованная двухполупериодная схема выпрямителя, использованная в эксперименте.
  6. Регулируемый источник питания постоянного тока:
    1. Рассмотрим схему источника питания постоянного тока, показанную на рисунке 8.Используя ранее измеренные выпрямленные напряжения постоянного тока и стабилитроны, вычислите минимальное значение R s , необходимое для защиты стабилитрона в условиях, когда нагрузка представляет собой разомкнутую цепь (это наихудший случай). Стабилитрон рассчитан на 400 мВт, а минимальный ток стабилитрона составляет 5 мА. Обсудите результат с инструктором лаборатории, прежде чем использовать его в эксперименте.

    2. Рисунок 8 — Регулируемый источник питания постоянного тока
    3. Подключите схему, показанную на рисунке 8, и используйте значение R с , вычисленное в 4.а. Следите за напряжением на нагрузке с помощью осциллографа. Измерьте напряжение на R L и напряжение на R s . Рассчитайте ток, проходящий через стабилитрон.
    4. Отключите R от L и измерьте напряжение и ток на стабилитроне.

Результаты и обсуждения:

В дополнение к вопросам, указанным в лабораторной процедуре, выполните следующие действия и ответьте на них:

  • Постройте график ВАХ стабилитрона.
  • Какое значение прямого сопротивления стабилитрона?
  • Что такое напряжение стабилитрона?

Шунтирующие цепи ограничения | Стабилитрон Shunt Clipper

Шунтирующие цепи ограничения:

Цепи ограничения положительного шунта показаны на рис. 3-28 (a). Здесь диод соединен шунтом (или параллельно) с выходными клеммами. Когда вход отрицательный, диод смещен в обратном направлении, и только небольшое падение напряжения происходит на R I из-за тока нагрузки I L .Это означает, что выходное напряжение схемы (В o ) примерно равно отрицательному входному пику (-E). Когда на входе + E, D 1 имеет прямое смещение, а выходное напряжение равно падению напряжения на диоде (+ V F ). Таким образом, положительная половина сигнала отсекается. Как показано, верхний и нижний уровни на выходе ограничителя положительного шунта приблизительно равны + V F и -E.

Отрицательный шунтирующий ограничитель в точности совпадает с положительным шунтирующим ограничителем с обратной полярностью диода [см. Рис.3-28 (b)]. Отрицательный полупериод формы волны отсекается.

Ток нагрузки на шунтирующем ограничителе вызывает падение напряжения (I L R 1 ) на резисторе, которое может быть незначительным при очень низком токе нагрузки.

Как и в случае последовательных схем ограничения, шунтирующие схемы ограничения могут использоваться с квадратными, синусоидальными или другими входными сигналами.

Шунтирующий ограничитель шума:

Шунтирующий ограничитель шума, показанный на рис.3-30 удаляет шум на пиках входного сигнала. Амплитуда сигнала должна быть больше прямого падения напряжения на диоде. Форма выходного сигнала ограничивается на уровне ± V F , чтобы шум не передавался на выход. Этот тип ограничителя используется с импульсными сигналами, где амплитуда импульса не важна. В этом случае информация содержится в ширине импульса или просто в ее наличии или отсутствии.

Шунтирующий клипер со смещением:

На рис. 3-31 показана схема ограничения, в которой используются два диода с разными напряжениями смещения.Катод D 1 подключен к смещению +2 В (V B1 ), а анод D 2 имеет смещение -2 В (V B2 ). Хотя амплитуда входного сигнала меньше ± (V B + V F ), ни один из диодов не смещен в прямом направлении, а входной сигнал просто передается на выход. Когда положительный вход больше, чем (V B1 + V F ). D 1 становится смещенным в прямом направлении, и выходное напряжение не может превышать это напряжение. Аналогично, когда отрицательный вход опускается ниже (-V B2 — V F ).D 2 имеет прямое смещение, а выход ограничен — (V B2 + V F ).

По очевидным причинам эта схема называется шунтирующей схемой ограничения смещения. Шунтирующие ограничители со смещением используются для защиты цепей или устройств от (положительного / отрицательного) входного напряжения, которое не должно превышать заданных уровней.

Напряжение на резисторе R 1 составляет (E — V o ), а ток резистора представляет собой сумму тока нагрузки и прямого тока диода (I L + I F ).Как и в других схемах диодов, выбирается минимальный уровень I F , а номинал резистора рассчитывается как

Шунтирующий зажим на стабилитроне:

Шунтирующий зажим на стабилитроне дает тот же результат, что и шунтирующий ограничитель со смещением, без необходимости в напряжениях смещения. Схема ограничителя на рис. 3-32 имеет два последовательно включенных стабилитрона.

Когда входное напряжение положительное и имеет достаточную амплитуду, D 1 — это прямое смещение, а D 2 — обратное смещение.В это время выходное напряжение ограничено (V F + V Z2 ). Отрицательное входное напряжение дает максимальный отрицательный выход — (V F + V Z1 ). С равновольтными стабилитронами максимальное выходное напряжение составляет

Ом.

Напряжение резистора (E — V o ), а ток резистора (I L + I Z ). Выбирается минимальный уровень I Z (больше, чем ток излома устройства), а номинал резистора рассчитывается как

Описание стабилитрона

— StudiousGuy

Стабилитрон — это особый тип диодов с P-N переходом.Это кремниевый полупроводниковый прибор, в котором как P-, так и N-переходы сильно легированы, из-за чего образуется очень тонкий обедненный слой, который приводит к сильному электрическому полю через переход. Он может работать как в прямом, так и в обратном смещении, то есть он может позволить току течь как в прямом, так и в обратном направлении, если через переход проходит достаточное напряжение, но в основном он предназначен для работы в обратном направлении. Стабилитрон решает огромное количество проблем, которые могут возникнуть при проектировании схем.Следовательно, это широко используемый компонент в электрических цепях. Он сконструирован таким образом, что может без сбоев выдерживать пробой, вызванный обратным напряжением пробоя, поэтому он также известен как пробойный диод.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Кларенс Мелвин Зенер (1905-1993)

Стабилитрон

назван в честь американского физика Кларенса Мелвина Зенера, который разработал электрические свойства стабилитрона.Он был профессором физики в Университете Карнеги-Меллона, и его основная область интересов была «физика твердого тела». Он получил степень доктора наук в Стэнфордском университете в Калифорнии. В 1934 году он опубликовал статью, в которой объяснил поломку электрических изоляторов, а в 1950 году он разработал стабилитрон и начал его применение в компьютерных схемах.

Конструкция стабилитрона

Стабилитроны

изготавливаются различными методами. Наиболее широко используемые методы производства включают диффузную структуру сплава, пассивированную структуру и диффузную структуру.В диффузной структуре как P-, так и N-подложки диффундируют вместе, и металлический слой осаждается с обеих сторон, которые соединяют анодные и катодные выводы. В диффузионной структуре из сплава все переходы покрыты слоем оксида кремния (SiO2), но в пассивированной структуре только края переходов покрыты слоем оксида кремния. Напряжение пробоя стабилитрона диода фиксировано на момент его изготовления и обычно составляет от 2,4 до 200 В. Функционирование стабилитрона зависит от уровня его легирования.Слаболегированные диоды показывают лавинный пробой, в то время как сильно легированные диоды показывают пробой Зенера. Диффузионные стабилитроны из сплава лучше работают при низких напряжениях стабилитрона, в то время как диффузные и пассивированные структуры лучше работают при высоких напряжениях стабилитрона.

Условное обозначение стабилитрона

Обозначение схемы стабилитрона почти аналогично обычным обозначениям схемы диода с небольшой разницей в том, что вертикальная линия символа стабилитрона слегка изогнута внутрь и наружу от верхнего и нижнего конца соответственно.

Символ стабилитрона

Схема

стабилитрона

Стабилитрон

может быть подключен как в прямом, так и в обратном смещении, но он работает как обычный диод в состоянии прямого смещения и в основном предназначен для работы в состоянии обратного смещения. В состоянии обратного смещения, P-тип, то есть положительная сторона диода, подключается к отрицательной клемме батареи, в то время как N-тип, то есть отрицательная сторона диода, подключается к положительной клемме. батареи.

Общие сведения о стабилитроне

Стабилитрон — это сильно легированный диод с P-N переходом; из-за сильного легирования область обеднения между P-N-переходом становится узкой, а напряженность электрического поля увеличивается. Следовательно, увеличивается и проводимость стабилитрона. Нет никакого протекания тока через диод, если к стабилитрону не приложено смещение, так как не будет потока электронов из валентной зоны области P-типа в зону проводимости области N-типа.Если к стабилитрону приложено обратное смещение и подаваемое напряжение превышает напряжение стабилитрона, то электрическое поле на переходе увеличивается, и валентные электроны набирают достаточно энергии и начинают перемещаться из валентной зоны области P-типа в область зона проводимости области N-типа, и барьер между областями P и N уменьшается. При напряжении стабилитрона область обеднения полностью исчезает, и стабилитрон начинает проводить.

Работа стабилитрона

В условиях прямого смещения стабилитрон работает как обычный диод, но когда он работает в режиме обратного смещения, обедненный слой между переходом сужается, и он продолжает сужаться, если мы увеличиваем напряжение с обратным смещением. .Первоначально ток, протекающий по цепи, обусловлен неосновными носителями заряда, но после определенного значения обратного напряжения происходит пробой. Стабилитрон имеет два типа пробоя: лавинный пробой и пробой стабилитрона, которые обсуждаются ниже.

Лавина

Лавинный пробой обычно возникает, если мы прикладываем очень высокое напряжение обратного смещения. В состоянии обратного смещения ток течет через цепь из-за неосновных носителей заряда. Если мы подаем высокое обратное напряжение, то эти неосновные носители заряда ускоряются и приобретают высокую скорость, следовательно, их движение увеличивается.Из-за своего быстрого движения они сталкиваются с окружающими их атомами и генерируют больше свободных электронов, и эти свободные электроны также вызывают столкновения, которые приводят к генерации еще большего количества свободных электронов, следовательно, через цепь протекает большой ток из-за увеличения количество носителей заряда. Это явление известно как лавинный прорыв. Обычные диоды обычно разрушаются из-за этого пробоя из-за выделения тепла из-за большого тока и высокого падения напряжения, но стабилитрон сконструирован таким образом, что он не повреждается из-за лавинного пробоя и может выдерживают большой ток.Лавинный пробой обычно наблюдается в тех стабилитронах, у которых напряжение на стабилитронах превышает 5 вольт.

Механизм лавинного разрушения

Стабилитрон

Явление пробоя стабилитрона обычно наблюдается в сильно легированных диодах. Из-за высокой концентрации легирования обедненный слой имеет очень узкую ширину. Если мы увеличим обратный потенциал, это приведет к генерации сильного электрического поля в обедненной области. Из-за этого высокого электрического поля электроны (электроны области истощения) получают высокую энергию и отделяются от своих родительских атомов, и из-за этого действия генерируется большое количество свободных электронов.Движение этих свободных электронов вызывает прохождение электрического тока через диод. Таким образом, наблюдается немедленное увеличение электрического тока при увеличении обратного напряжения на небольшую величину. Ток увеличивается до максимального значения, а затем стабилизируется и остается постоянным при различных значениях приложенного напряжения. Когда электрический ток превышает емкость диода, происходит пробой, и этот пробой известен как пробой Зенера, а напряжение, при котором он возникает, известно как напряжение Зенера.Пробой Зенера можно управлять, потому что количество генерируемых валентных электронов можно контролировать, управляя электрическим полем в области обеднения. Обычно используемые стабилитроны показывают пробой стабилитрона ниже 5 вольт, и они имеют отрицательный температурный коэффициент, то есть, если температура перехода увеличивается, напряжение пробоя стабилитрона уменьшается.

Различия в лавинном пробое и пробое стабилитрона

  • Лавинный пробой происходит из-за столкновений электронов в обедненной области, а пробой Зенера происходит из-за сильного электрического поля.
  • Лавинный пробой происходит в слабо легированных диодах с P-N переходом, но стабилитрон возникает в сильно легированных диодах с P-N переходом.
  • Диод не может занять свое исходное положение после лавинного пробоя, но может вернуться в исходное положение после пробоя стабилитрона.
  • В случае пробоя стабилитрона электрическое поле в обедненной области больше, чем при лавинном пробое.
  • В случае лавинного пробоя образуются как пары дырок, так и электроны, но пробой Зенера вызывается только потоком электронов из-за сильного электрического поля.
  • Лавинный пробой происходит из-за высокого обратного напряжения, тогда как пробой Зенера происходит из-за низкого обратного напряжения.
  • Лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, т. Е. Он увеличивается с повышением температуры, а пробой Зенера имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. уменьшается с повышением температуры.
  • Зенеровский пробой показывает резкую кривую в их характеристиках V-I по сравнению с лавинным пробоем.

V-I характеристики стабилитрона

Вольт-амперная характеристика или вольт-амперная характеристика — это график, который представляет изменение тока по отношению к изменению напряжения, приложенного к переходу. Вольт-амперные характеристики стабилитрона делятся на две категории: прямые и обратные характеристики. Обсудим их подробнее.

Характеристики форварда

Характеристики стабилитрона с прямым смещением представлены в первом квадранте графика, показанного выше.Из графика ясно видно, что характеристики прямого смещения стабилитрона такие же, как у нормального диода с фазовым переходом, то есть, если мы увеличиваем напряжение вокруг вывода, то ток, протекающий через цепь, также увеличивается. Однако величина тока, протекающего через стабилитрон, выше по сравнению с обычным P-N диодом из-за более высокой концентрации легирования в стабилитроне.

Обратные характеристики

Когда стабилитрон работает в состоянии обратного смещения, тогда сначала через цепь протекает лишь небольшая величина тока утечки из-за неосновных носителей заряда, которые генерируются термически, но когда приложенное обратное напряжение увеличивается до определенного значения. значение обратного напряжения, то происходит пробой, и наблюдается резкое увеличение обратного тока.Значение обратного напряжения, в котором произошел пробой, известно как напряжение Зенера (Vz), и этот эффект пробоя известен как эффект Зенера. Используя внешнее сопротивление, можно ограничить ток, проходящий через стабилитрон. Напряжение (В) через диод можно рассчитать математически, используя следующее выражение:

В = Vz + ИзРз

Где Vz — напряжение пробоя по Зенеру, Iz — это ток, протекающий через стабилитрон, а Rz — сопротивление стабилитрона.

Характеристики стабилитрона

При производстве стабилитрона тщательно учитываются различные типы спецификаций. Каждая спецификация влияет на общее функционирование стабилитрона. Соблюдая эти спецификации, мы можем понять рабочие характеристики любого конкретного стабилитрона. Вот некоторые характеристики стабилитрона.

1. Напряжение стабилитрона (Vz)

Напряжение стабилитрона — это напряжение на стабилитроне, при котором происходит пробой, поэтому оно также известно как напряжение обратного пробоя.При изготовлении стабилитронов их напряжение пробоя обычно поддерживается в диапазоне от 2,4 В до 200 В. Однако для устройств поверхностного монтажа максимальное напряжение стабилитрона составляет около 47 вольт.

2. Максимальный ток (Iz-max)

Iz-max — это максимальный ток, который может протекать через стабилитрон при обратном напряжении пробоя. Он колеблется от 200 мкА до 200 А. Из-макс можно рассчитать по формуле

Iz = Pz / Vz

Где Pz — максимальная мощность, которую может выдержать диод, а Vz — обратное напряжение пробоя.

3. Минимальный ток (Из-мин)

Iz-min — это минимальная величина тока, необходимая для пробоя стабилитрона. Он колеблется от 5 мА до 10 мА.

4. Номинальная мощность (Pz)

Номинальная мощность — это максимальная мощность, которую стабилитрон может безопасно рассеивать. Обычно используемые значения мощности стабилитрона включают 400 мВт, 500 мВт, 1 мВт, 3 мВт и 5 мВт. Стабилитроны с высокой номинальной мощностью обычно дороги и требуют дополнительных устройств для отвода избыточного тепла.Максимальное рассеивание мощности (Pzm) стабилитроном можно рассчитать по приведенной формуле:

Pzm = Iz * Vz

Где Iz — максимальный ток, который может протекать через стабилитрон, а Vz — напряжение пробоя стабилитрона.

5. Сопротивление стабилитрона

Сопротивление стабилитрона или импеданс стабилитрона — это полное сопротивление стабилитрона протеканию электрического тока. Сопротивление стабилитрона также очевидно из графика обратной характеристики VI, поскольку оно не полностью вертикально, следовательно, есть небольшое изменение тока, протекающего при небольшом изменении напряжения на стабилитроне, и это изменение напряжения по отношению к диоду Зенера. ток — это сопротивление стабилитрона.В идеале он должен быть равен нулю, но каждый стабилитрон имеет некоторое сопротивление стабилитрона.

Импеданс стабилитрона стабилитрона рассчитывается по формуле:

R = Vi-Vz / Из

Где Vi — входное напряжение, Iz — ток, проходящий через стабилитрон, а Vz — напряжение пробоя стабилитрона.

6. Допуск стабилитрона

Допуск стабилитрона определяется как диапазон напряжений, близкий к напряжению пробоя, при котором стабилитрон проводит ток в обратном направлении.При изготовлении стабилитрона могут возникать небольшие различия в концентрациях легирования для одного и того же типа стабилитрона, что означает, что их напряжения пробоя также незначительно различаются, следовательно, один и тот же тип стабилитрона проводит обратный ток при разных значениях напряжения обратного пробоя, и этот диапазон напряжения пробоя стабилитронов называется их допуском. Обычно допуск напряжения стабилитрона составляет ± 5%.

7. Температурная стабильность

Напряжение обратного пробоя стабилитронов изменяется в зависимости от различных температурных условий, и оно показывает большую разницу в своем значении для разных степеней температуры в диапазоне от 0 ° C до 50 ° C.Таким образом, температурная стабильность — важный критерий, на который нужно обращать внимание при использовании стабилитронов в различных электрических цепях. Как мы читали выше, лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении выше 5 вольт, в то время как пробой на стабилитроне имеет отрицательный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении ниже 5 вольт. Имея это в виду, стабилитроны с пробивным напряжением 5 В обычно производятся, так как они обеспечивают лучшую температурную стабильность.

8.Температура перехода

Когда обратный электрический ток проходит через переход стабилитрона, там выделяется тепло, поэтому область перехода сравнительно горячее, чем внешний корпус стабилитрона, потому что тепло оттуда рассеивается. При изготовлении стабилитрона следует тщательно учитывать надлежащие характеристики внутренней и внешней температуры диода. Обычно температура перехода стабилитрона поддерживается в пределах от 175 ° C до 200 ° C.

9.Пакет

Стабилитрон

может быть упакован по-разному. Однако широко используемые методы упаковки включают традиционные устройства с выводами и упаковку для поверхностного монтажа (в технологии поверхностного монтажа (SMT) различные электрические компоненты устройства устанавливаются непосредственно на поверхности печатных плат (PCB)). Упаковка выбирается в соответствии с требованиями к уровню рассеивания тепла в устройстве.

Применение стабилитрона

Регулятор напряжения

Одним из наиболее важных применений стабилитрона является то, что он используется в качестве регулятора напряжения.Функция регулятора напряжения заключается в поддержании постоянного выходного напряжения для широкого диапазона входных напряжений и токов. Для использования стабилитрона в качестве регулятора напряжения шунтирующее сопротивление (Rs) последовательно подключается к входному напряжению и стабилитрону. Далее сопротивление нагрузки подключается параллельно стабилитрону в режиме обратного смещения. Шунтирующее сопротивление Rs отсекает избыточное количество тока и позволяет только ограниченному току проходить через стабилитрон и, следовательно, контролирует колебания напряжения и поддерживает постоянное выходное напряжение на сопротивлении нагрузки {R} _ {L}.

Защита от перенапряжения

Иногда ток в электрических устройствах превышает нормальное значение, что может привести к повреждению устройства, но это повреждение можно свести к минимуму, используя стабилитрон в электрической цепи, поскольку он защищает цепь, регулируя входное напряжение, и позволяет поддерживать постоянное напряжение на выходной терминал. Стабилитроны, наряду с кремниевым управляющим выпрямителем (SCR), используются в различных схемах, поскольку они контролируют высокую мощность и высокое напряжение в электронных схемах.

Электрические переключатели

Стабилитрон

может производить резкие изменения от минимального тока до максимального, поэтому его можно использовать в качестве переключателя.

Защита мультиметра

Еще одним важным применением стабилитрона является то, что он используется для защиты мультиметра. Стабилитрон подключен параллельно мультиметру, он регулирует напряжения и защищает мультиметр от повреждения из-за чрезмерного протекания тока в электрической цепи.Стабилитрон легко выдерживает высокие пробивные напряжения, поскольку в них высокая концентрация легирования.

Формирователь волны или ограничитель формы волны

Стабилитрон

также используется в качестве формирователя волны, поскольку он может изменять форму волны переменного тока и может преобразовывать синусоидальную волну в прямоугольную. Для этого два стабилитрона, обращенных друг к другу, соединены последовательно с сопротивлением R. Стабилитрон обеспечивает высокое сопротивление, если входное напряжение на клеммах меньше напряжения пробоя стабилитрона во время положительного и отрицательного полупериода входной синусоидальной волны, и напряжение на стабилитроне (Vz) появится на выходе (Vo).Стабилитрон предлагает низкое сопротивление, если входное напряжение больше, чем напряжение пробоя стабилитрона, что позволяет большому току проходить через стабилитрон, и мы видим большое падение напряжения на сопротивлении R, и стабилитрон ограничивает избыточное напряжение. , следовательно, входной синусоидальный сигнал обрезается. Таким образом, мы можем получить прямоугольный сигнал на выходе. Таким образом, стабилитрон используется как ограничитель волн, и эти схемы в основном используются для устранения помех в телевизионных и FM-передатчиках.

Переключатель напряжения

Стабилитрон

может действовать как переключатель напряжения. Если мы используем стабилитрон и сопротивление R в цепи, входное напряжение может быть сдвинуто до напряжения пробоя стабилитрона.

Преимущества стабилитрона

  • Стабилитрон экономичен.
  • Поддерживает и регулирует входное напряжение.
  • Он имеет простую схему и очень совместим.
  • Широко применяется в электрических цепях для защиты устройств от перенапряжений.
  • Обеспечивает постоянное напряжение на выходной клемме.
  • Имеет возможность контролировать превышение протекания тока в цепи.
  • Используется как ограничитель формы сигнала.

Недостатки стабилитрона

  • Чтобы компенсировать избыточное входное напряжение, стабилитрон применяет еще большее обратное напряжение, которое потребляет много электроэнергии в этом процессе.
  • Стабилитрон не подходит, если ток нагрузки очень высок, поскольку их эффективность снижается при высоких токах нагрузки.
  • Из-за сопротивления стабилитрона выходное напряжение немного изменяется.
  • Показывает высокий внутренний импеданс в цепи.
  • Транзисторы более предпочтительны, чем стабилитроны для регулирования напряжения, поскольку они имеют лучший коэффициент регулирования.
  • Поскольку напряжение стабилитрона равно выходному напряжению (Vo = Vz), мы не можем регулировать выходное напряжение.

ADALM2000: Стабилитрон | Analog Devices

Цель:

Стабилизатор напряжения — это схема, используемая для поддержания постоянного выходного напряжения на нагрузке независимо от изменений тока нагрузки.Например, нагрузкой может быть система на основе микроконтроллера, которая требует постоянного напряжения питания, даже если ее потребность в токе зависит от активности системы. Стабилизатор на стабилитроне на Рисунке 1 предлагает очень упрощенный способ поддерживать напряжение нагрузки V L на том же значении, что и обратное напряжение пробоя стабилитрона, при условии, что сопротивление нагрузки R L остается выше. чем какой-то нижний предел. Источник напряжения V IN и резистор R S моделируют сопротивление Тевенина возможной цепи, которая преобразовала высокое напряжение, такое как сетевое питание 120 В переменного тока, в нерегулируемый и нефильтрованный источник низкого постоянного напряжения.

Материалы:

  • Модуль активного обучения ADALM2000
  • Макетная плата без пайки
  • Один резистор 1 кОм (R S )
  • Один переменный резистор 5 кОм, потенциометр (R L )
  • Один стабилитрон (1N4735 или аналогичный)

Направление:

Создайте схему, показанную на рисунке 1, на беспаечной макетной плате, используя стабилитрон 1N4735 6,2 В. Используйте AWG1 (постоянное 5 В) и пользовательское напряжение –5 В Vn, чтобы установить источник постоянного тока V IN .Используйте различные постоянные и переменные резисторы для R L .

Рис. 1. Стабилитрон на стабилитроне. Рис. 2. Макетная схема стабилизатора стабилитрона.

Процедура:

Шаг 1

Мониторинг и отчет о напряжении нагрузки V L с помощью прибора Scopy Voltmeter для измерения V L для R L , равного:

  • Обрыв цепи (см. Рисунок 3)
  • 10 кОм (см. Рисунок 4)
  • 1 кОм (см. Рисунок 5)
  • 100 Ом (см. Рисунок 6)
Рисунок 3.R L = форма волны стабилитронного стабилизатора разомкнутой цепи. Рис. 4. R L = 10 кОм осциллограмма стабилитрона. Рис. 5. R L = Форма сигнала стабилитрона 1 кОм. Рис. 6. R L = Форма сигнала стабилизатора на стабилитроне 100 Ом.

Шаг 2

Замените нагрузку R L на потенциометр 5 кОм и настройте потенциометр, чтобы определить минимальное значение R L , при котором V L остается в пределах 10% от напряжения стабилитрона, V Z .Измерьте и сообщите сопротивление, на которое вы установили потенциометр. Как это сопротивление соотносится со стоимостью R S ?

Дальнейшие исследования

Изучите кривую вольт-амперной характеристики стабилитрона, используя тот же метод, который описан в шаге 2, путем измерения тока в R S с осциллографом канала 2 и построения графика зависимости напряжения на стабилитроне от тока на осциллографе XY режим. Обязательно отрегулируйте диапазон горизонтального напряжения и смещение, чтобы включить 6.Напряжение пробоя 2 В. Обсудите свои результаты, в частности, чем стабилитрон похож на обычный диод и отличается от него.

Движение больших токов нагрузки

Как мы видели в простом стабилитроне на Рисунке 1, максимальный ток нагрузки определяется резистором R S . Кроме того, схема очень неэффективна для меньших токов нагрузки по сравнению с максимальными, поскольку избыточный ток течет в стабилитроне, когда не течет в нагрузке.Включение эмиттерного повторителя или усилителя тока эмиттерного повторителя Дарлингтона может значительно повысить эффективность этой схемы регулятора, как показано на рисунке 2.

Дополнительные материалы

  • Два транзистора NPN (2N3904 и TIP31)
  • Два малых сигнальных диода (1N914 или аналогичный)
Рисунок 7. Добавление каскада усилителя тока.

Направление:

Соберите любую из схем, показанных на Рисунке 2, на беспаечной макетной плате, используя 1N4735 6.Стабилитрон 2 В в качестве D1 и силовой транзистор 2N3904 или TIP31 для Q1. Q2 может быть 2N3904 и D2, D3 может быть 1N914.

Дополнительный диод D2 добавлен последовательно с стабилитроном, чтобы частично компенсировать дополнительное падение напряжения V BE из-за эмиттерного повторителя Q1. Аналогичным образом, в конфигурации Дарлингтона добавлены два диода (D2, D3), чтобы снова частично компенсировать падение двух V BE повторителя Дарлингтона.

Вопрос:

Используя схему на рисунке 1, вычислите сопротивление R L , для которого значение V L составляет 20% от напряжения стабилитрона V Z .

Вы можете найти ответы в блоге StudentZone.

Применение стабилитронов — стабилизатор напряжения, устройство защиты измерителя и формирователь волны

Стабилитроны находят широкое применение в коммерческих и промышленных целях. Некоторые из важных применений стабилитронов — это стабилизатор напряжения или стабилизатор , протектор измерителя и формирователь волны . Они подробно обсуждаются ниже.

Как стабилизатор напряжения

Основное применение стабилитрона в электронной схеме — регулятор напряжения. Он обеспечивает постоянное напряжение на нагрузке от источника, напряжение которого может изменяться в достаточном диапазоне.

На рисунке ниже показана схема стабилитрона в качестве стабилизатора.

В приведенной выше схеме стабилитрон напряжения Зенера V Z подключен к нагрузке R L в обратном состоянии. Постоянное напряжение (В 0 = В Z ) — это желаемое напряжение на нагрузке.Колебания выходного напряжения поглощаются последовательным резистором R, включенным последовательно со схемой. Это поддерживает постоянное напряжение ( 0 В) на нагрузке.

Пусть переменное напряжение V в приложено к нагрузке R L . Когда значение V в меньше, чем напряжение стабилитрона V Z на стабилитрон, через него не протекает ток, и такое же напряжение появляется на нагрузке. Стабилитроны проводят большой ток, когда входное напряжение V в больше, чем напряжение стабилитрона Vz.В результате через последовательный резистор R протекает большой ток, что увеличивает падение напряжения на нем.

Таким образом, входное напряжение, превышающее Vz (т.е.V в — V Z ), поглощается последовательным резистором. Следовательно, на нагрузке R L поддерживается постоянное напряжение V 0 = Vz. Когда стабилитрон с напряжением стабилитрона Vz подключен в обратном направлении параллельно нагрузке, он поддерживает постоянное напряжение на нагрузке, равное Vz, и, следовательно, стабилизирует выходное напряжение.

Для защиты счетчика

Стабилитроны

обычно используются в мультиметрах для защиты движения измерителя от повреждений в результате случайных перегрузок. Стабилитрон включен параллельно измерителю с точки зрения безопасности.

Принципиальная схема показана ниже:

Движение измерителя защищено от любых повреждений, так как большая часть тока проходит через стабилитрон в случае любой случайной перегрузки. Когда требуется защита движения расходомера, независимо от применяемой полярности (т.д при пропускании переменного тока).

Схема изменена, как показано на рисунке ниже:

для формирования волны

Стабилитроны

также используются для преобразования синусоидальной волны в прямоугольные. Схема схемы показана ниже:

Во время положительного и отрицательного полупериода, когда напряжение на диодах ниже значения стабилитрона, они создают путь с высоким сопротивлением. Входное напряжение, появляющееся на выходных клеммах. Однако, когда входное напряжение превышает значение стабилитрона, стабилитрон предлагает путь с низким сопротивлением и проводит большой ток.

В результате на последовательном резисторе R появляется сильное падение напряжения, и, следовательно, пики входной волны отсекаются, когда появляются на выходе, как показано на рисунке выше. Входная синусоида обрезается на пиках, а на выходе появляется прямоугольная волна.

проблем


следующий: Транзисторные схемы Up: Диодные схемы Предыдущий: Диодная защита
    1. Сделайте набросок, показывающий ток через идеальный диод в виде функция приложенного напряжения.Также нарисуйте текущий через диод реального сигнала в зависимости от напряжения.
    2. Сделайте эскиз, показывающий ток, протекающий через стабилитрон, как функция приложенного напряжения. Покажите, как определить прямое сопротивление (), обратное сопротивление () и сопротивление стабилитрона () из вашего эскиза. Обозначьте напряжения и.
  1. Нарисуйте ожидаемые формы выходных сигналов, когда
    1. синусоидальная волна 100 Гц с пиковым напряжением 5 В, и
    2. прямоугольная волна 100 Гц с размахом напряжения 10 В
    применяются отдельно к каждой из схем ниже.

  2. Стабилитрон в следующей схеме характеризуется V и V. Терминал B находится на земле и там нет внешнего нагрузочного резистора.

    1. Какое напряжение на выводе A в указанной выше цепи?
    2. Какой ток через стабилитрон? (Какой разумный приближение делает это простым?).
    3. Если стабилитрон рассеивает 1,0 Вт (в тепле), что мы можем сделать вывод, что это эффективное сопротивление диода для этого ситуация?
  3. Эффекты стабилитрона в цепи можно рассматривать аналитически. с использованием модели эквивалентной схемы обратного смещения.В области низких напряжений до пробоя стабилитрон может быть лечится как любой другой обратносмещенный диод. Однако стабилитрон обычно работает в области пробоя.
    1. Запишите эквивалентную модель линейной цепи в разбивке. область напряжения.
    2. Замените стабилитрон в следующем опорном напряжении. схему по вашей модели эквивалентной схемы.

    3. Определите вклад стабилитрона в это напряжение. эталонная схема путем расчета элементов Thevenin представление схемы замещения.
    4. Покажите, что для малого эффективного сопротивления стабилитрона Эквивалентное напряжение Венина близко к пробою Зенера. напряжение и, следовательно, нечувствителен к изменениям в источнике Напряжение.
    5. Покажите, что для малого эффективного сопротивления стабилитрона Эквивалентный резистор Венина дает источнику напряжения достаточно малый выходной импеданс.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.