На чем основана работа стабилитрона: Изучение принципов работы, определение основных характеристик стабилитронов

Изучение принципов работы, определение основных характеристик стабилитронов

Лабораторная
работа 5.6. Стабилитроны

Цель работы.Изучение
принципов работы, определение основных характеристик стабилитронов.Файлы
для их моделирования расположены в папке Lab_5_6\Модели.

                                             Основные
теоретические положения            

Стабилитроны
обладают характеристиками нелинейного сопротивления. Ток через эти элементы
может меняться в больших пределах, при неизменном падении напряжении на них. Стабилитроны
обладают данным свойством благодаря лавинному пробою p-n перехода, на который подано
запирающее напряжение.

В этом режиме
незначительное увеличение напряжения, приложенного к  p-n переходу, вызывает рост
генерации носителей заряда и увеличение обратного тока через стабилитрон.

На рисунке 1
представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) стабилитрона.

Рис.
1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Рабочий участок ВАХ соответствует
интервалу DI,
где напряжение стабилизации U_СТ
изменяется незначительно на величину DU_. Качество стабилизации характеризуется
дифференциальным сопротивлением:

Значение U_СТ у различных типов стабилитронов составляет
от 3 до 180 В, величина R_Д для
низковольтных стабилитронов: от 1 до 30 Ом, а для высоковольтных: от 18 до 300
Ом.

На рис. 2
представлена схема простейшего стабилизатора напряжения. Расчет этой схемы
сводится к определению величины балластного сопротивления R_Б,
при котором ток через стабилитрон будет не меньше I_СТ.MIN, когда утрачиваются стабилизирующие свойства, и не
более I_СТ.MAX,
что грозит тепловым пробоем стабилитрона.

Рис. 2 Схема стабилизатора
напряжения

Величину сопротивления R_Б можно определить из уравнения:

Напряжение U_СТ зависит от температуры, что характеризует температурный
коэффициент напряжения (ТКН).  Этот параметр определяет изменение напряжения в
процентах при изменении температуры окружающей среды на 1⁰С и может
быть положительным или отрицательным.

Прямая ветвь
ВАХ, показанная на рис. 1, у некоторых стабилитронов отсутствует и их
сопротивление в этом режиме велико.

Кроме
стабилитронов также используются стабисторы. Их назначение – стабилизация малых
напряжений, порядка от 1 до 3 В. Эти приборы работают на прямой ветви ВАХ
диода.

1 Стабилизатор
напряжения

При расчете
стабилизатора необходимо учитывать возможные изменения входного напряжения и
тока нагрузки.

На рис. 3
представлена схема стабилизатора (файл L5_ST_02.ewb), к которому подключена нагрузка R_Н.
Вследствие постоянства напряжения U_СТ,
ток I_Н уменьшает ток I_СТ через стабилитрон VD
на равную себе величину. Это соответствует режиму выбора R_Б
для обеспечения минимально допустимого тока I_СТ.

Рис. 3 Схема стабилизатора
напряжения

Если отключить
нагрузку, то ток через стабилитрон увеличится на величину I_Н,
но не должен превысить максимально допустимого значения I_СТ.

Изменение
входного напряжения U_ВХ также влияет
на ток стабилитрона. На рис. 4 представлен стабилизатор (4, а) и его модель (4,
б). С помощью выключателей 1, 2 можно изменять величину входного напряжения.
Стабилитрон в модели заменен источником постоянного напряжения U_VD = U_СТ
= 5,1 В и R_Д = 1 Ом (файл L5_ST_01_m. ewb).

Рис. 4 Стабилизатор
напряжения: а – схема стабилизатора; б – модель стабилизатора

На рис. 5
представлен стабилизатор, у которого за счет схемных решений увеличены
стабилизирующие свойства.

Рис. 5 Схема
стабилизатора напряжения

Коэффициент
стабилизации:

Следовательно,
увеличивая величину R_Б можно повысить
коэффициент К_СТ. Однако, для обеспечения режима работы
стабилитрона, в этом случае, необходимо увеличить входное напряжение, что, в
свою очередь ухудшает кпд схемы.

Обычно входное
напряжение выбирают в 2 – 4 раза большее, чем U_СТ.

На рисунках 6,
7 изображен стабилизатор и его модель для различных значений входных напряжений
(30 В, 50 В) и постоянной нагрузке.

Рис. 6 Стабилизатор
напряжения: а – схема стабилизатора; б – модель стабилизатора

Рис. 7 Стабилизатор
напряжения: а – схема стабилизатора; б – модель стабилизатора

2 Ограничитель
напряжения

Стабилитроны
применяются также для ограничения значений входных напряжений с целью,
например, защиты нагрузки. На рис. 8 представлена схема, которая подает на
нагрузку положительное напряжение, не более 5 В. Ограничитель напряжения ± 5 В
изображен на рис. 9.

Рис. 8 Схема
ограничителя напряжения

Рис. 9 Схема
ограничителя напряжения

Задание 1. Изучить работу
схем стабилизации (рисунки 2-9, файлы L5_ST_01.ewb — L5_ST_05.ewb, L5_ST_01_m.ewb — L5_ST_03_m.ewb).

Задание 2. Снять обратную
вольтамперную характеристику схемы стабилизатора (рис. 2, файл L5_ST_01.ewb). Результаты
занести в таблицу 1.

ВАХ
стабилитрона                                                                                                         Таблица
1

На основе
проведенных измерений (табл. 1), в таблице 2 указать значение минимального тока
стабилизации для схемы (рис. 2).

Таблица ответов к
заданию
2                                                                                       
Таблица 2

Задание 3. Провести
исследование работы стабилизатора с учетом влияющих факторов (рис. 10, а; файл L5_ST_04_m.ewb).

С помощью
выключателей 1, 2, 3 подключать к схеме различные по величине входные
напряжения и нагрузку. Результаты занести в таблицу 3.

Результаты измерений
к заданию 3                                                                             Таблица
3

Сравнить
полученные цифровые данные с результатами моделирования (рис. 10, б). Диод VD в этой схеме использован для отражения нелинейности
стабилитрона и температурной стабилизации.

Рис. 10 Стабилизатор
напряжения: а – схема стабилизатора; б – модель стабилизатора

Определение основных характеристик стабилитрона и исследование параметрического стабилизатора напряжения

Лабораторная работа №2

Определение основных характеристик стабилитрона и исследование параметрического стабилизатора напряжения

Цель работы:

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

Теория.

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

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

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

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

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

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

Рис. 1

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

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

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

Рис. 2

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

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

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

Рис. 3 ВАХ стабилитрона

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

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

Рис. 4

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

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

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

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

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

Нагрузочная характеристика стабилитрона показана на рис. 5.

Рис. 5

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

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

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

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

Основными параметрами стабилитронов являются:

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

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

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

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

Стабилизаторы напряжения на транзисторах: схема на стабилитроне

Радиоэлектронные устройства для нормальной работы требуют питания стабилизированным напряжением. Подходы к стабилизации различаются в зависимости от предъявляемых требований, потребляемой мощности нагрузки.

Стабилизатор переменного напряжения

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и величины входа.

По принципам построения стабилизирующие устройства делятся на следующие группы:

• Параметрические;
• Компенсационные;
• Импульсные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольт-амперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при изменении тока на значительную величину напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Более сложные компенсационные конструкции используют обратную связь, величина которой пропорциональна разнице выходного напряжения и эталонного.

К сведению. Импульсные устройства основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе – емкости или индуктивности.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Простейшая конструкция содержит всего два элемента:

• Стабилизирующий диод – стабилитрон;
• Токоограничительный резистор.

Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, поскольку работает в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки – ток через стабилитрон должен быть больше нагрузки как минимум в 3-10 раз.

Параметрическая схема

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если дополнить конструкцию со стабилитроном эмиттерным повторителем, получится параметрический стабилизатор на транзисторе и стабилитроне с лучшими параметрами в отношении тока нагрузки.

В данной схеме напряжение на нагрузке определяется разностью между падением на стабилитроне и переходе база-эмиттер. Стабилизация происходит потому, что разность потенциалов перехода база-эмиттер слабо зависит от тока эмиттера.

Включение усилительного элемента позволяет увеличить ток нагрузки в Вst раз, где Вst – статический коэффициент передачи. Используя составной элемент (схема Дарлингтона), можно еще больше увеличить допустимый ток нагрузки до нескольких ампер.

Схема Дарлингтона

Схема параметрического стабилизатора напряжения на транзисторе обладает недостатками. Некоторая нестабильность напряжения на переходе база-эмиттер ухудшает коэффициент стабилизации конструкции в целом. Снижение мощности нагрузки ниже определенного минимума вызывает повышение выходного напряжения (для кремниевых компонентов на 0.6 Вольт, поскольку ток базы становится равным нулю).

Принципы расчета характеристик

Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:

• Напряжение питания;
• Ток нагрузки;
• Выходное напряжение.

Порядок расчета:

1. Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
2. Выбирается ключевой элемент по критериям:

• Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
• Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
• Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение эталонного (опорного) потенциала с выходным. Разница через контур отрицательной обратной связи поступает на базу ключевого транзистора, управляя величиной его открытия.

Точность стабилизации зависит от точности формирования опорного напряжения. Так как устройство сравнения потребляет малый ток, то опорный потенциал можно сформировать при помощи параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Компенсационная схема

Еще больше повысить эксплуатационные характеристики можно, используя источник тока вместо токоограничительного резистора. В качестве такого источника наиболее удобно применять полевой транзистор. Компенсационные устройства обладают хорошими характеристиками, поэтому большинство производителей элементной базы выпускает готовые модули, позволяющие создавать конструкции с минимумом элементов.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.

Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.

Микросхема импульсных устройств

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

Схема на двух транзисторах

Используя два транзистора, можно собрать схему компенсационного стабилизатора, в котором один из триодов является ключевым, а второй служит для управления обратной связью. Такая конструкция легко позволяет регулировать величину выхода. Правильный стабилизатор также должен предусматривать защиту от перегрузки.

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.

Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.

Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.

Видео

Решенные проблемы на стабилитроне

Q1. Для схемы, показанной на рисунке 1 (i), найдите: (i) выходное напряжение (ii) падение напряжения на последовательном сопротивлении (iii) ток через стабилитрон.

Рис.1 (i)

Решение:

Если вы удалите стабилитрон на рис. 1, напряжение V на разомкнутой цепи будет равно:

Поскольку напряжение на стабилитроне больше VZ (= 50 В), стабилитрон находится во включенном состоянии.Следовательно,
может быть представлен батареей на 50 В, как показано на рис. 1 (ii).

Рис. 1 (ii)

(i) Ссылаясь на рис. 1 (ii),

(ii)

(iii)

Q2. Для схемы, показанной на рис. 2 (i), найдите максимальное и минимальное значения тока стабилитрона.

Рис.2

Решение:

Первым делом нужно определить состояние стабилитрона.Легко видеть, что для данного диапазона напряжений (80 — 120 В) напряжение на стабилитроне больше VZ (= 50 В). Следовательно, стабилитрон будет во включенном состоянии для этого диапазона приложенных напряжений. Следовательно, его можно заменить батареей на 50 В, как показано на рис. 2 (ii).

Максимальный ток стабилитрона: Стабилитрон будет проводить максимальный ток при максимальном входном напряжении, т.е. 120 В. При таких условиях:

Минимальный ток стабилитрона: Стабилитрон будет проводить минимальный ток, когда входное напряжение составляет минимум
i.е. 80 В. При таких условиях имеем

Q3. В схеме, показанной на рис. 3, используется стабилитрон на 7,2 В, а ток нагрузки должен изменяться от 12 до 100 мА. Найдите значение последовательного сопротивления R, чтобы напряжение на нагрузке составляло 7,2 В. Входное напряжение составляет 12 В, минимальный ток стабилитрона составляет 10 мА.

Фиг.3

Решение:

Напряжение на R должно оставаться постоянным на уровне 12–7,2 = 4,8 В при изменении тока нагрузки с 12 до 100 мА. Минимальный ток стабилитрона будет иметь место при максимальном токе нагрузки.

Если в цепь вставлено сопротивление R = 43,5 Ом, выходное напряжение останется постоянным во всем диапазоне регулирования. По мере уменьшения тока нагрузки IL ток стабилитрона IZ увеличится до такого значения, что IZ + IL = 110 мА.

Обратите внимание, что если сопротивление нагрузки разомкнуто, то IL = 0 и ток стабилитрона становится 110 мА.

Q4. Стабилитрон, показанный на рис. 4, имеет VZ = 18 В. Напряжение на нагрузке остается на уровне 18 В, пока IZ поддерживается в пределах от 200 мА до 2 А.Найдите значение последовательного сопротивления R так, чтобы E0 оставалось 18 В, а входное напряжение Ei могло свободно изменяться от 22 В до 28 В.

Фиг.4

Решение:

Ток стабилитрона будет минимальным (например, 200 мА) при минимальном входном напряжении (например, 22 В). Ток нагрузки остается на постоянном значении IL = VZ / RL = 18 В / 18 Ом = 1 А = 1000 мА.

Q5. Стабилитрон 10 В используется для регулирования напряжения на резисторе переменной нагрузки
[см. Рис.5]. Входное напряжение колеблется от 13 до 16 В, а ток нагрузки от 10 до 85 мА. Минимальный ток стабилитрона 15 мА. Рассчитайте значение последовательного сопротивления R.

Фиг.5

Решение:

Стабилитрон будет проводить минимальный ток (например, 15 мА) при минимальном входном напряжении (например, 13 В).

Q6. В схеме на рис. 6 используются два стабилитрона, каждый на 15 В, 200 мА. Если цепь подключена к нерегулируемому источнику питания на 45 В, определите: (i) регулируемое выходное напряжение (ii) значение последовательного сопротивления R.

Фиг.6

Решение:

Когда желаемое регулируемое выходное напряжение выше, чем номинальное напряжение стабилитрона, два или более стабилитрона подключаются последовательно, как показано на рис. 6. Однако в таких схемах следует выбирать те стабилитроны, которые имеют одинаковые текущий рейтинг.

Q7. Какое значение последовательного сопротивления требуется, когда три стабилитрона 10 Вт, 10 В, 1000 мА подключены последовательно для получения регулируемого выхода 30 В от источника постоянного тока 45 В.c. источник питания?

Решение:

На рис. 7 показана желаемая схема. Худший случай — без нагрузки, потому что тогда стабилитроны несут максимальный ток.

Фиг.7

Q8. В каком диапазоне входного напряжения схема стабилитрона, показанная на рис. 8, будет поддерживать 30 В на нагрузке 2000 Ом, при условии, что последовательное сопротивление R = 200 Ом и номинальный ток стабилитрона
равен 25 мА?

Фиг.8

Решение:

Минимальное необходимое входное напряжение будет при IZ = 0.При этом условии

Q9. В схеме, показанной на рисунке 9, напряжение на нагрузке должно поддерживаться на уровне 12 В при изменении тока нагрузки от 0 до 200 мА. Разработайте регулятор. Также найдите максимальную номинальную мощность стабилитрона.

Фиг.9

Решение:

Под проектированием регулятора здесь подразумевается найти значения VZ и R. Поскольку напряжение нагрузки должно поддерживаться на уровне 12 В, мы будем использовать стабилитрон с напряжением стабилитрона 12 В i.е.,

Напряжение на резисторе R должно оставаться постоянным на уровне 16–12 = 4 В при изменении тока нагрузки от 0 до 200 мА. Минимальный ток стабилитрона будет иметь место при максимальном токе нагрузки.

Максимальная мощность стабилитрона

Q10. На рис. 10 показаны основные схемы стабилитронов. Каково будет поведение схемы, если стабилитрон (i) работает правильно (ii) закорочен (iii) разомкнут?

Фиг.10

Решение:

Стабилитроны

нельзя тестировать мультиметром по отдельности.Это связано с тем, что мультиметры обычно не имеют достаточного входного напряжения, чтобы перевести стабилитрон в область пробоя.

(i) Если стабилитрон работает правильно, напряжение V0 на нагрузке (= 5 кОм) будет около 6 В [см. Рис. 10 (i)].

(ii) Если стабилитрон короткий [см. Рис. 10 (ii)], вы измеряете V0 как 0В. Та же проблема может быть вызвана коротким замыканием нагрузочного резистора (= 5 кОм) или резистором с открытым истоком (= 1 кОм). Единственный способ узнать, какое устройство вышло из строя, — снять резисторы и проверить их омметром.Если резисторы хорошие, то стабилитрон плохой.

(iii) Если стабилитрон разомкнут, напряжение V0 на нагрузке (= 5 кОм) будет 10 В.

Q11. На рис. 11 показан стабилизированный источник питания с использованием стабилитрона. Каково будет поведение схемы, если (i) закоротит конденсатор фильтра (ii) конденсатор фильтра разомкнется?

Фиг.11

Решение:

Распространенные неисправности стабилитрона — это короткое замыкание конденсатора фильтра или обрыв конденсатора фильтра.

(i) При коротком замыкании конденсатора фильтра:

При коротком замыкании конденсатора фильтра перегорает первичный предохранитель. Причина этого показана на рис. 11. Когда конденсатор фильтра закорачивается, он замыкает сопротивление нагрузки RL. Это имеет тот же эффект, что и соединение двух сторон моста вместе (см. Рис. 11).

Если вы проследите от верхней стороны моста к нижней стороне, вы увидите, что единственное сопротивление на вторичной обмотке трансформатора — это прямое сопротивление двух диодов ON .Это эффективно закорачивает вторичную обмотку трансформатора. В результате чрезмерный ток течет во вторичной обмотке и, следовательно, в первичной обмотке. Следовательно, перегорит первичный предохранитель.

(ii) Когда конденсатор фильтра открывается:

Когда конденсатор фильтра размыкается, пульсации на выходе блока питания резко возрастают. В то же время постоянный ток. выходное напряжение покажет значительное падение. Поскольку открытый конденсатор фильтра является единственной неисправностью, которая вызывает оба этих симптома, дальнейшие испытания не требуются.При появлении обоих симптомов замените конденсатор фильтра.

Сасмита

Привет! Я Сасмита. В ElectronicsPost.com я продолжаю свою любовь к преподаванию. Я магистр электроники и телекоммуникаций. И, если вы действительно хотите узнать обо мне больше, посетите мою страницу «О нас».
Узнать больше

Что такое стабилитрон

Привет, друзья, надеюсь, у вас все отлично.В сегодняшнем руководстве мы обсудим , что такое стабилитрон. Обычный диод проводит и пропускает ток в прямом смещенном состоянии (состояние, когда анод соединен с положительной клеммой, а катод — с отрицательной клеммой питания). В состоянии обратного смещения ток не проходит через этот диод, только небольшой ток проходит в этом состоянии, которое называется током утечки. Чтобы улучшить этот факт обычного диода, в инженерный мир был введен диод специального назначения. Его изобрел американский инженер Кларенс Мелвин Зинер, поэтому он получил название стабилитрон. Он работает как в прямом, так и в обратном направлении. В сегодняшнем посте мы рассмотрим его работу, особенности, рейтинги, конструкцию и приложения. Итак, давайте начнем с , что такое стабилитрон.

Что такое стабилитрон

• Стабилитрон — это специальный диод, который позволяет току течь не только от положительной клеммы (анода) к отрицательной клемме (катод), но и в обратном направлении.
• Легирование стабилитрона больше, чем у обычного диода, поэтому его обедненная часть имеет меньшую площадь.

• Обычный диод не работает в состоянии обратного смещения, но стабилитроны специально изготовлены для работы с обратным смещением.
• Стабилитрон в основном используется в типах электронных устройств, таких как компьютеры, ноутбуки и т. Д., Он является основным компонентом электронных схем.
• Используется в схемах стабилизатора мощности для поддержания уровня напряжения для конкретного устройства.
• Стабилитрон также обеспечивает защиту любой схемы от перенапряжения, особенно от электростатического разряда. При электростатическом разряде ток внезапно течет между двумя заряженными точками из-за короткого замыкания или пробоя изоляции.

Пробой в стабилитроне

• В стабилитроне есть 2 основные зоны пробоя.
  • Лавинный пробой
  • Пробой стабилитрона
• Давайте обсудим их по очереди с подробностями.

Лавинный пробой

• Этот тип пробоя возникает не только в стабилитроне, но и в общем диоде из-за более высокого напряжения в условиях обратного смещения.
• Когда диод находится в состоянии обратного смещения, неосновные носители заряда получают большую энергию от источника и быстро перемещаются.
• Высокоскоростные носители заряда сталкиваются с другими частицами и удаляют больше электронов из атома. Они движутся с большей скоростью, они также удаляют больше электронов из других атомов.

• Из-за большего количества электронов обратный ток будет течь от катода к аноду, в некоторых условиях может быть поврежден общий диод.
• Но стабилитрон может не сгореть, потому что он рассчитан на работу в таких условиях.
• Напряжение лавинного пробоя стабилитрона составляет шесть вольт.
• Данная диаграмма поясняет напряжение лавинного пробоя.

Пробой стабилитрона

• Пробой этого типа возникает в высоколегированном диоде, таком как стабилитрон, поскольку этот диод имеет меньшую площадь обеднения из-за более высокого уровня легирования.
• Когда напряжение, подаваемое на диод, увеличивается, в тонкой обедненной зоне устанавливается высокоэффективное электрическое поле.
• Когда напряжение обратной полярности почти равно напряжению Зенера, электрическое поле в обедненной части настолько велико, что вытягивает электроны из их оболочек.
• Электрон самой внешней оболочки, который получает достаточно энергии от поля, вырвется из-за воздействия материнского атома.
• Электрон внешней оболочки, вырвавшийся из-за воздействия своего материнского атома, будет двигаться свободно.
• Из-за свободного дрейфа этого выбора в диоде будет течь обратный ток.
• Меньшее приращение напряжения приведет к очень быстрому перемещению тока на участке пробоя стабилитрона.

Сравнение стабилитрона и лавинного пробоя

• Пробой стабилитрона происходит при меньшем значении восстановленного напряжения смещения, а лавино — при более высоком обратном смещенном напряжении.
• Пробой стабилитрона происходит только в стабилитронах, поскольку они имеют меньшую площадь обедненной части.
• Зона пробоя — это такая область, на которой обычно работает стабилитрон.

Эффект Зенера

• Эффект Зенера — это категория электрического сбоя (пробоя), которая возникает в PN-переходе с обратным смещением. Сильное статическое поле позволяет электронам перемещаться из зоны валанса в зону проводимости полупроводника.
• Название свое связано с использованием этого фактора в работе стабилитрона.

ВАХ

Преимущества стабилитрона

• Стабилитрон обладает некоторыми преимуществами по сравнению с обычным диодом, которые делают его эффективным для работы в условиях высокого напряжения.
  • Его потребляемая мощность выше, чем у обычного диода.
  • Его КПД очень высок.
  • Доступен в меньшем размере.
  • Это менее дорогой диод.

Применения стабилитрона

• Вот некоторые применения стабилитрона.
  • Он широко используется в качестве устройства опорного напряжения.
  • Применяется в регуляторах напряжения.
  • Используется для переключения.
  • Стабилитрон — важная часть схем зажима и ограничения.
  • Используется во многих схемах безопасности.
  • Он также используется в электронных устройствах, таких как мобильные ноутбуки, компьютеры и т. Д.

Итак, это подробная статья о стабилитронах, у меня есть все, что связано с стабилитронами. Если у вас есть вопросы по этому поводу, задавайте их в комментариях. Спасибо, что прочитали, до следующего урока.

Принципы работы стабилитронов и их различные применения

Стабилитроны — это обычные диоды с PN переходом, работающие в состоянии обратного смещения.Стабилитрон работает так же, как диод с PN переходом в прямом смещении, но уникальность заключается в том, что он также может проводить, когда он подключен с обратным смещением выше его порогового / пробивного напряжения. Это одни из основных типов диодов, которые часто используются, помимо обычных диодов.

Рабочий стабилитрон

Полупроводниковый диод в состоянии обратного смещения

Если вы помните, простой диод с PN-переходом образован комбинацией полупроводникового материала p-типа и полупроводникового материала n-типа.Когда одна сторона полупроводникового кристалла легирована донорными примесями, а другая сторона — акцепторными примесями, образуется PN переход.

Несмещенный полупроводниковый диод

В нормальных условиях дырки со стороны p имеют тенденцию диффундировать в область низкой концентрации, и то же самое происходит с электронами с n-стороны.

Таким образом, дырки диффундируют в n-сторону, а электроны диффундируют в p-сторону. Это приводит к накоплению зарядов вокруг перехода, образуя область истощения.

Несмещенный полупроводниковый диод

Электрическая полярность или электрический диполь формируется поперек перехода, вызывая поток потока с верхней стороны n-й стороны. Это приводит к изменению напряженности отрицательного электрического поля, создавая электрический потенциал на переходе. Этот электрический потенциал фактически является пороговым напряжением диода и составляет около 0,6 В для кремния и 0,2 В для германия. Это действует как потенциальный барьер для потока основных носителей заряда, и устройство не проводит ток.

Теперь, когда нормальный диод смещен так, что отрицательное напряжение приложено к стороне n и положительное напряжение к стороне p, диод считается находящимся в состоянии прямого смещения. Это приложенное напряжение имеет тенденцию уменьшать потенциальный барьер после выхода за пределы порогового напряжения.

В этот момент и позже основные носители пересекают потенциальный барьер, и устройство начинает проводить ток через него.

Когда диод смещен в обратном направлении к указанному выше, приложенное напряжение таково, что оно увеличивает потенциальный барьер и препятствует потоку основных носителей.Однако он допускает поток неосновных носителей (дырок в n-типе и электроны в p-типе). По мере увеличения напряжения обратного смещения обратный ток имеет тенденцию к постепенному увеличению.

В определенный момент это напряжение таково, что вызывает пробой обедненной области, вызывая резкое увеличение тока. Здесь в игру вступает стабилитрон.

Принцип работы стабилитрона

Как указано выше, основной принцип работы стабилитрона заключается в причине пробоя диода в состоянии обратного смещения.Обычно бывает два типа поломки — стабилитрон и лавина.

Принцип работы стабилитрона

Пробой стабилитрона

Этот тип пробоя возникает при обратном напряжении смещения от 2 до 8 В. Даже при таком низком напряжении напряженность электрического поля достаточно велика, чтобы воздействовать на валентные электроны атома так, что они отделяются от ядер. Это приводит к образованию подвижных электронно-дырочных пар, увеличивая ток через устройство.7 В / м.

Этот тип пробоя обычно возникает в высоколегированных диодах с низким напряжением пробоя и большим электрическим полем. При повышении температуры валентные электроны получают больше энергии для разрыва ковалентной связи и требуется меньшее количество внешнего напряжения. Таким образом, напряжение пробоя стабилитрона уменьшается с температурой.

Лавинный пробой

Этот тип пробоя возникает при напряжении обратного смещения выше 8В и выше. Это происходит для слаболегированных диодов с большим напряжением пробоя.Когда неосновные носители заряда (электроны) протекают через устройство, они имеют тенденцию сталкиваться с электронами в ковалентной связи и вызывать разрушение ковалентной связи. По мере увеличения напряжения кинетическая энергия (скорость) электронов также увеличивается, и ковалентные связи легче разрываются, вызывая увеличение электронно-дырочных пар. Напряжение лавинного пробоя увеличивается с температурой.

3 стабилитрон приложение

1. стабилитрон в качестве напряжения

в цепи постоянного тока, диод Зенера может быть использован в качестве регулятора напряжения или для обеспечения опорного напряжения.Основное применение стабилитрона заключается в том, что напряжение на стабилитроне остается постоянным для большего изменения тока. Это дает возможность использовать стабилитрон в качестве устройства постоянного напряжения или регулятора напряжения.

В любой схеме источника питания стабилизатор используется для обеспечения постоянного выходного напряжения (нагрузки) независимо от изменения входного напряжения или изменения тока нагрузки. Изменение входного напряжения называется линейным регулированием, а изменение тока нагрузки — регулированием нагрузки.

Стабилитрон в качестве регулятора напряжения

Для простой схемы, использующей стабилитрон в качестве стабилизатора, требуется резистор низкого значения, подключенный последовательно с источником входного напряжения. Низкое значение требуется для обеспечения максимального прохождения тока через диод, подключенный параллельно. Однако единственным ограничением является то, что ток через стабилитрон не должен быть меньше минимального тока стабилитрона. Проще говоря, для минимального входного напряжения и максимального тока нагрузки ток стабилитрона всегда должен быть I _zmin.

При проектировании стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона последний выбирается с учетом его максимальной номинальной мощности. Другими словами, максимальный ток через устройство должен быть: —

I _max = мощность / напряжение стабилитрона

Поскольку входное напряжение и требуемое выходное напряжение известны, проще выбрать стабилитрон с напряжением примерно равно напряжению нагрузки, т.е. Vz ~ = V _o .

Значение последовательного резистора выбрано равным

R = (В _в — В _z ) / (I _zmin + I _L ), где I _L = напряжение нагрузки / нагрузка сопротивление.

Обратите внимание, что для напряжений нагрузки до 8 В можно использовать один стабилитрон. Однако для напряжений нагрузки выше 8 В, требующих напряжения стабилитрона более высокого значения, рекомендуется использовать диод с прямым смещением последовательно с диодом Зенера. Это связано с тем, что стабилитрон при более высоком напряжении следует принципу лавинного пробоя, имея положительный температурный коэффициент.

Следовательно, для компенсации используется диод с отрицательным температурным коэффициентом. Конечно, в наши дни используются практические стабилитроны с температурной компенсацией.

2. стабилитрон в качестве опорного напряжения

стабилитрон в качестве опорного напряжения

В источниках питания и многих других схем, диод Зенера находит свое применение в качестве поставщика постоянного напряжения или опорного напряжения. Единственное условие — входное напряжение должно быть больше напряжения стабилитрона, а резистор последовательного соединения должен иметь минимальное значение, чтобы через устройство протекал максимальный ток.

3. Стабилитрон в качестве ограничителя напряжения

В цепи с входным источником переменного тока, отличной от обычной схемы ограничения PN-диода, также можно использовать стабилитрон.Диод может использоваться для ограничения пика выходного напряжения до напряжения Зенера на одной стороне и примерно до 0 В на другой стороне синусоидальной формы волны.

стабилитрон в качестве ограничителя напряжения

В приведенной выше схеме во время положительного полупериода, когда входное напряжение таково, что стабилитрон имеет обратное смещение, выходное напряжение остается постоянным в течение определенного времени, пока напряжение не начнет уменьшаться.

Теперь во время отрицательного полупериода стабилитрон находится в прямом смещенном соединении.Когда отрицательное напряжение увеличивается до порогового напряжения пересылки, диод начинает проводить, а отрицательная сторона выходного напряжения ограничивается пороговым напряжением.

Обратите внимание, что для получения выходного напряжения только в положительном диапазоне используйте два последовательно смещенных стабилитрона.

Рабочие приложения стабилитрона

С ростом популярности смартфонов в наши дни отдается предпочтение проектам на базе Android. Эти проекты предполагают использование устройств на базе технологии Bluetooth.Для работы этих Bluetooth-устройств требуется напряжение около 3 В. В таких случаях, диод Зенера используется для обеспечения ссылки 3V к устройству Bluetooth.

Рабочее применение стабилитрона с использованием устройства Bluetooth

Другое применение включает использование стабилитрона в качестве регулятора напряжения. Здесь переменное напряжение выпрямляется диодом D1 и фильтруется конденсатором. Это фильтруется напряжение постоянного тока регулируется с помощью диода, чтобы обеспечить постоянное опорное напряжение 15В. Это регулируемое постоянное напряжение используется для управления схемой управления, используемой для управления переключением света, как в автоматизированной системе управления освещением.

Приложение для регулирования напряжения стабилитрона

Мы надеемся, что смогли предоставить точную, но важную информацию о работе стабилитрона и его применениях.