Стабилитрон (опорный диод)

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Особенностью стабилитрона является наличие обратной ветви ВАХ области электрического пробоя p-n-перехода (рис. 5.3, участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.

Для изготовления стабилитронов используют кремний с высокой степенью очистки. Напряжение, при котором возникает пробой, зависит от ширины p-n- перехода и удельного сопротивления материала. Изменяя это сопротивление и параметры технологического процесса (температуру, степень насыщенности примесями) можно получить различные значения напряжения стабилизации.

Примерами использования стабилитронов могут служить:

1) схема стабилизации постоянного напряжения (рис. 5.4).

На схеме R_огр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения U_вх увеличивается ток стабилизации I_стаб и падение напряжения ∆U на резисторе R_огр. Напряжение на выходе U_вых, на стабилитроне и R_н, остается почти неизменным.

Рис. 5.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Рис. 5.4. Схема стабилизации постоянного напряжения

При изменении R_н происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется.

В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры, для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают терморезистор R_т, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры;

2) датчик, реагирующий на изменение напряжения (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Датчик, реагирующий на изменение напряжения

В системах автоматики стабилитроны часто используют в качестве датчика, реагирующего на изменение напряжения. Если входное напряжение U_вх возрастает выше определенного уровня, стабилитрон пробивается и через включенный последовательно с ним прибор (например, катушка реле), начнет протекать ток, при этом подается сигнал на срабатывание соответствующих устройств.

5.7.1 Основные параметры стабилитрона

К параметрам стабилитрона относятся:

1) напряжение стабилизации U_стаб – соответствует значению в точке р на середине рабочего участка аб (рис. 5.3). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе от 4 до 100 мА;

2) минимальный ток стабилизации I_{мин стаб} и максимально допустимый ток стабилизации I_{макс стаб}.

Значение I_{мин стаб} определяется необходимой устойчивостью работы, так как при I_обр < I_{мин стаб} лавинный пробой может быть неустойчивым.

При значении I_обр > I_{макс стаб} происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя;

3) динамическое сопротивление стабилитрона r_т (R_диин)

(5.1)

Чем меньше r_т, тем лучше стабилизация;

4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1^°С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется.

Рис. 5.6. Зависимость обратной ветви вольтамперной характеристики

от температуры

, %/°С, (5.2)

, %/^°С. (5.3)

Температурный коэффициент напряжения положителен для стабилитронов, работающих при высоких значениях напряжения (больше 5 В), и отрицателен для низковольтных стабилитронов (напряжение стабилизации меньше 5 В). Это объясняется различием в механизме пробоя широких, на более высоких напряжениях, и узких, низковольтных, p-n-переходов. В широких переходах имеет место лавинные пробои, а в узких – зеннеровские.

При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно.

U_ст = U_ст1+U_ст2+...+U_{ст n}.

Параллельное соединение стабилитронов не допускается, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилитрона.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.

5.7.2 Двухсторонние стабилитроны

Эти приборы предназначены для ограничения напряжений на элементах электрических цепей и выполняет роль разрядников в электротехнических устройствах. Условное обозначение и конструктивное исполнение двухстороннего стабилитрона изображена на рис. 5.7 а, б соответственно. Прибор можно представить в виде двух встречно включенных лавинных диодов со структурой p-n-p, имеющей два p-n-перехода. Технология изготовления прибора аналогична технологии изготовления лавинных диодов и обеспечивает получение на элементе двух защитных колец.

На рис. 5.7 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины (термокомпенсаторы), 2 – защитные кольца, 3 – область проводимости p-типа, 4 – область проводимости n-типа

ВАХ двухстороннего стабилитрона (рис. 5.7, в) представляет сочетание двух обратных ветвей встречновключенных лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат.

а б в

Рис. 5.6. Условное обозначение двухстороннего стабилитрона (а), его конструктивное исполнение (б) и вольтамперная характеристика (в)