Стислі теоретичні відомості. Напівпровідникові діоди ефективно використовують і у зворотному увімкненні
Напівпровідникові діоди ефективно використовують і у зворотному увімкненні. Коли зворотна напруга досягає визначеного критичного значення, струм діода починає різко збільшуватись. Це явище називають пробоєм діода. Розрізняють електричний та тепловий пробій. Тепловий пробій викликає руйнування приладу, електричний – використовують для побудови напівпровідникових діодів, зокрема, напівпровідникових стабілітронів. Існує два види електричного пробою, які нерідко супроводжують один одного: лавинний та тунельний. Лавинний пробій пояснюється лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації та за рахунок виривання електронів із атомів сильним електричним полем. Цей пробій характерний для p-n переходів великої товщини і виникає при порівняно малій концентрації домішок в напівпровідниках. Напруга лавинного пробою складає десятки або сотні вольт. Тунельний пробій пояснюється явищем тунельного ефекту. Він утворюється при сильному електричному полі напругою більшою ніж 10 В/см, яке діє в p-n переході невеликої товщини. При цьому деякі електрони проходять через перехід, не змінюючи своєї енергії. Тонкі переходи, в яких можливий тунельний ефект, отримують при високій концентрації домішок в напівпровідниках. Напруга, що відповідає тунельному пробою, зазвичай не перевищує одиниць вольт. Вольт-амперна характеристика напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка використовується для стабілізації напруги. Така ділянка у кремнієвих площинних діодів відповідає зміні зворотного струму в широких межах. До початку пробою зворотний струм дуже малий, а в режимі пробою, тобто в режимі стабілізації, він стає таким, як і прямий струм. В наш час випускають виключно кремнієві стабілітрони багатьох типів. Їх також називають опорними діодами, тому що стабільну напругу, яку від них отримують, у ряді випадків використовують як еталонну. На рис. 3.1, а дана типова ВАХ стабілітрона при зворотному струмі, яка показує, що в режимі стабілізації напруга змінюється мало. Характеристика прямого струму стабілітрона така ж, як і у звичайних діодів. У точці А, де пробій є достатньо стійкий, струм різко зростає, допустиме його значення I max обмежується лише допустимою потужністю розсіювання.
а б Рис. 3.1. Типова вольт-амперна характеристика: а - стабілітрона; б - схема параметричного стабілізатора
В сучасних стабілітронах I max коливається в межах від десятків міліампер до декількох ампер. Робоча напруга стабілітрона, яка є робочою напругою p-n переходу, залежить від концентрації домішок у p-n структурі та знаходиться в межах 4 – 200 В. Для стабілізації малих напруг використовують кремнієві діоди при прямому увімкненні – стабістори. Наприклад, діоди Д219С, Д222С і Д223С забезпечують постійну пряму напругу 1 – 1,5 В (при прямому струмі 50 мА і температурі 25 Відповідно до ГОСТ 10862-72 стабілітрони позначались за наступною системою. Перший елемент позначки - вихідний матеріал: К – кремній; другий – літера, яка характеризує підклас приладів: С – стабілітрони та стабістори. Третій елемент позначки визначає індекс потужності, четвертий – кодовану позначку номінальної напруги стабілізації, п'ятий – послідовність розробки (літери російського алфавіту від А до Я). Розшифровку третього та четвертого елементів позначки знаходять зазвичай за довідником. Приклад позначки: КС 168 А – стабілітрон напівпровідниковий, який призначений для пристроїв широкого використання, кремнієвий, потужністю не більшою ніж 0,3 Вт, з напругою стабілізації 6,8 В, послідовність розробки А [3, 4]. Напруга стабілітрона у робочому режимі мало залежить від струму, що є основою для використання цих приладів для побудови параметричних стабілізаторів напруги. На робочій ділянці характеристики (від I min до I max) залежність напруги стабілітрона від струму характеризується диференціальним опором:
Електрична схема параметричного стабілізатора зображена на рис. 3.1, б. Опір обмежуючого резистора R обм повинен бути значно більшим за диференціальний опір стабілітрона r ст. Чим більше відношення R обм / r ст, тим краща стабілізація напруги. Напруги і струми у параметричному стабілізаторі зв'язані між собою наступними співвідношеннями (рис. 3.1, б):
При збільшенні вхідної напруги U вх повинна була б збільшитися і вихідна напруга U вх. Однак навіть незначне збільшення UZ призводить до різкого збільшення струму стабілітрона (рис. 3.1, а). В результаті чого збільшується I o і відповідно – спад напруги I o R обм, що компенсує збільшення U вх, а вихідна напруга залишається майже незмінною. При зменшенні вхідної напруги U вх струм I o зменшується, падіння напруги I o R обм зменшується, що також компенсує нестабільність U вх. Якщо напруга джерела (вхідна напруга) нестабільна (змінюється від U min до U max) за умови, що опір навантаження R н – постійний, значення резистора R обм для середньої точки:
де U сер = 0,5(U min + U max) – середнє значення вхідної напруги; I сер = 0,5(I min + I max) – середній струм стабілітрона; Другий можливий режим стабілізації використовують в тому випадку, коли U вх= const, а R н змінюється в межах R mi n … R max. Як приклад розглянемо випадок, коли R н зменшується, тобто
де I н.сер = 0,5(I н.min + I н. max), причому
Наведені формули дозволяють вибрати тип стабілітрона і розрахувати елементи параметричного стабілізатора за електричними параметрами та граничними експлуатаційними даними, які наведені у довідниках. Якість роботи стабілізаторів напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації
Коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора досягає 20 – 50. Експлуатаційними параметрами стабілітрона є: UZ – напруга стабілізації; ∆UZ ном – розкид значення напруги стабілізації; IZ min – мінімально допустимий струм стабілізації; r ст– диференціальний опір стабілітрона; Література: [1, c.50-53]; [2, c. 17-19]; [3, с. 55-58]; [4, с. 92-94]; [14].
|
) [3, 4].
– струм навантаження.
збільшувати. Тоді струм у нерозгалуженому колі 
зростає. При цьому спад напруги на обмежувальному резисторі R обм повинен був би збільшуватись, а на стабілітроні та навантаженні – зменшуватись. Зменшення напруги на стабілітроні викликає різке зменшення струму у ньому (рис. 3.1, а), внаслідок чого вхідний струм I o, падіння напруги I o R обм та напруга на навантаженні майже не змінюються. Таким чином ріст струму навантаження на ∆; 
автоматично приводить до спаду струму стабілітрона на ∆IZ. Причому ∆; 
≈ – ∆ IZ, так що 
. Значення резистора R обм в цьому випадку можна визначити за середнім значенням струмів:
.
, який дорівнює відношенню відносної зміни вхідної напруги до відносної зміни напруги на виході:
– температурний коефіцієнт напруги стабілізації.
