СКАЧАТЬ:  stabilitron.zip [109,64 Kb] (cкачиваний: 298)

Лабораторная работа № 2

Стабилитроны

        Цель работы

        Исследование и построение ВАХ стабилитрона.

        Краткие сведения из теории

        Разновидности и типы полупроводниковых диодов. К специальным полупроводниковых диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n-переходов: управляемая полупроводниковая емкость – варикапы и варакторы; зенеровской и лавинный пробой – стабилитроны; туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды; фотоэффект – фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей заряда – светодиоды; многослойные диоды – динисторы.

         Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменение тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включается сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис. 1, а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 1, б приведены их вольт – амперные характеристики.

        Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 1, б штриховой линией показано перемещение вольт – амперных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U_СТ >5В и уменьшает его при U_СТ <5В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_СТ <5В – отрицательный. При  U_СТ  = 6…5 В ТКН близок к нулю.

Рис. 1. Схематическое изображение стабилитронов и их вольт-амперные характеристики

Рис. 2. Схема включения стабилитрона и стабистора

        Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряже­ние на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения р-n-перехода напряжение на нем имеет зна­чение 0,7...2 В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление. В отли­чие от стабилитронов, при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 2, а, а стабистора — на рис. 2, б.

        Приведенный выше характер температурной зависимости напряжения стаби­литронов обусловлен различным видом пробоя в них. В широких переходах при напряженности поля в них до 5·10⁴ В/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе >6В имеет положительный температурный коэффициент.

        В узких переходах при большой напряженности электрического поля (более 1,4-10⁶ В/см) наблюдается пробой, который  называется зенеровским. Такой пробой имеет место при низком   напряжении на переходе (менее 5 В) и характеризуется отрицательным температурным коэффициентом. При напряжении на переходе от 5 до 6 В одновременно существуют оба вида -0,04пробоя, поэтому температурный      коэффициент близок к нулю. График за­висимости      температурного коэф­фициента ТКН  от напряжения стаби­лизации U_СТ приведен на рис. 3.

Основными параметрами стабилит­ронов являются:

• напряжение стабилизации U_СТ;
• температурный   коэффициент   напряжения стабилизации ТКН_СТ ;
• допустимый ток через стабилитрон I_CT.ДОП ;
• дифференциальное сопротивление ста­билитрона r_CT .

        Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона t_вкл, а для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметричность напряжений стабилизации DU_СТ = U_СТ1 -  U_СТ2. 

Рис. 4. Линеаризованная характеристика стабилитрона и его схема замещения

        Дифференциальное сопротивление стабилитрона – это параметр, который характеризует наклон вольт – амперной характеристики в области пробоя. На рис. 4, а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 4, б.

        Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для oграничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

        Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К — кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8 В, в металлическом корпусе.

        Варикаты – это полупроводниковые диоды, в которых используются барьерные емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличения его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении.

        Туннельные диоды. Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через р-n-переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обедненном слое в нем даже при напряжении 0,6...0,7В напряженность поля достигает (5..;7).10'В/см. При этом через такой узкий р-n-переход протекает значительный ток.

        Обращенный диод является выраженным туннельным диодом. Подбором концентрации примесей таким образом, чтобы границы зон не перекрывались, а совпадали при отсутствии внешнего смещения на переходе, можно получить обычную диодную характеристику в области положительных напряжений. При этом участок отрицательного сопротивления будет отсутствовать.

        Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n-переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n-переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

                                             I=Is(e^U/jT - 1) – I_ф = I_диф – (I_s – I_ф),

где I_ф = S_iФ – фототок, S_i – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.

        Светоизлучающие диоды (СИД) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т.е без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен  светодиод, или изменять ток.  

Порядок выполненияработы

При  подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис.5)

Рис. 5

        Ток I_СТ стабилитрона может быть определен падением напряжения на резисторе R:

I_СТ = (Е – U_СТ)/R.

        Напряжение стабилизации U_СТАБ стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается.

        Мощность рассеивания стабилитрона Р_СТ вычисляется как произведение тока I_СТ на напряжение U_СТ:

Р_СТ = I_СТU_СТ.

        Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется также, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.

        1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.

а) Соберите схему, изображенную на рис. 5. Измерьте значение напряжения U_СТ на стабилитроне при значениях ЭДС, приведенных в таблице раздела «Результаты измерений», и занесите результаты измерений в ту же таблицу.

б) Вычислите ток I_СТ стабилитрона для каждого значения напряжения U_СТ. результаты вычислений занесите в таблицу.

в) По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона.

г) Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации.

д) Вычислите мощность Р_СТ, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е = 20 В.

е) Измерьте наклон ВАХ в области стабилизации напряжения и оцените дифференциальное сопротивление в этой области.

        2. Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа.

        Соберите схему, изображенную на рис. 6.

Рис.6

        Включите схему. Запишите в экспериментальные данные напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.

Результаты экспериментов

        1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.

а)…в). Данные для построения                   

            ВАХ стабилитрона.

г) Построение ВАХ стабилитрона.

д) Напряжение стабилизации.

                                                       Измерение

U_СТАБ                                              _________________

е) Мощность рассеивания стабилитрона Р_СТ при напряжении Е = 20В.

                                                      Измерение

Р_СТ                                                 __________________

ж) Дифференциальное сопротивление стабилитрона, определенное по наклону графика в рабочей области.                               Измерение

R_ДИФ                                             ___________________

        2. Получение ВАХ на экране осциллографа.

          Напряжение стабилизации, определенное из вольтамперной характеристики, полученной при помощи осциллографа

                                                                           Измерение

U_СТАБ                                                       _______________