ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТАБИЛИТРОНОВ

Стабилитрон представляет собой кремниевый диод, характеристика которого в открытом состоянии такая же, как у выпрямительного диода. Отличие стабилитрона - в относительно низком напряжении пробоя при обратном напряжении. Когда это напряжение превышено, ток обратного направления возрастает скачком (эффект Зенера). Величина напряжения на p-n переходе в режиме электрического пробоя слабо зависит от величины обратного тока стабилитрона и остается практически постоянным при значительном его изменениях (Рис.2.1.1а). В выпрямительных диодах такой режим является аварийным, а стабилитроны нормально работают при обратном токе, не превышающем максимально допустимого значения I_{СТ.max .}Рабочий участок ВАХ стабилитрона ограничен максимальным и минимальным токами стабилизации. Максимальный ток определяется допустимой для данного прибора мощностью рассеяния, а минимальный – началом устойчивого пробоя p-n перехода.

Чтобы избежать перегрузки, последовательно со стабилитроном включают балластный резистор. Величина его вычисляется следующим образом:

R_БАЛ = (U_ВХ - U_СТ) ¤ (I_СТ + I_НАГР), (2.1.1)

где U_ВХ - приложенное входное напряжение,

U_СТ - напряжение стабилизации стабилитрона испытываемого типа,

I_СТ - выбранный рабочий ток стабилитрона,

I_Н - ток в резисторе нагрузки R_Н, включенном параллельно стабилитрону.

Свойства стабилитронов делают их пригодными для стабилизации и ограничения напряжений.

Стабилитроны применяются в схемах параметрических стабилизаторов напряжения, которые часто используются в качестве источников опорного напряжения в схемах сравнения напряжений устройств автоматического регулирования. При этом степень стабилизации напряжения зависит от угла наклона рабочего участка ВАХ, который и определяет величину дифференциального сопротивления r_диф стабилитрона при электрическом пробое p-n перехода.

У стабилитронов прямая ветвь также имеет почти прямоугольный излом ВАХ, что позволяет использовать их для параметрической стабилизации и в схемах ограничения напряжения. Стабилитрон, работающий на прямой ветви ВАХ, называется стабистором.

К основным параметрам стабилитронов относятся:

U_СТ – напряжение стабилизации: значение напряжения при протекании номинального тока стабилизации;

U_CТ - нестабильность напряжения стабилизации;

I_СТ – номинальное значение тока стабилизации;

I_{СТ. min}, I_{СТ. max.} – граничные значения постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме пробоя;

Рис. 2.1.1. а) вольтамперная характеристика стабилитрона; б) условное обозначение; в) схема замещения стабилитрона при его работе в режиме электрического пробоя.

Р_{СТ. max} - максимально допустимая мощность стабилитрона;

r_Д – дифференциальное сопротивление стабилитрона: отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации;

TKU_СТ – температурный коэффициент стабилизации: отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации.

ПОРЯДОК И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.1.2.1. Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику стабилитрона и определить напряжение U_СТ, используя измерительную схему рис. 2.1.2.

Рис.2.1.2. Схема снятия ВАХ стабилитрона с помощью осциллографа.

Указания

Соберите цепь согласно схеме (рис. 2.1.2.) и подайте на вход синусоидальное напряжение амплитудой 30 В частотой 50 Гц.

Включите и настройте осциллограф в режиме X-Y. Для чегоиз ряда кнопок выбора режима синхронизации нажмите кнопку «Х». Установите масштаб по оси Y, удобный для наблюдения прямой и обратной ветвей ВАХ.

Нажатием клавиши перевести осциллограф в режим открытого входа и установите линию развёртки луча по центру экрана. При переключении масштаба по оси Y может потребоваться корректировка расположения данной линии

Перенесите изображение с экрана осциллографа на график рис.2.1.3.

Рис. 2.1.3. ВАХ стабилитрона, полученная с помощью осциллографа.

2.1.2.2. Исследовать обратную ветвь ВАХ стабилитрона I_обр = f (U_обр) используя измерительную схему рис. 2.1.4.

Рис. 2.1.4. Схема исследований обратной ветви ВАХ

Указания

В качестве источника питания использовать регулируемый источник постоянного напряжения стенда «0 -30В». Напряжения на стабилитроне и на выходе источника Е следует измерять высокоточным цифровым вольтметром В7-22А (U_СТ измерять с точностью 0, 01 В), ток стрелочным прибором Ц 4311.

Определите напряжение стабилизации U_cт стабилитрона. Для этого установите предел измерения амперметра 15 мА. Затем, плавно изменяя напряжение источника питания Е, наблюдайте за изменениями тока и напряжения на стабилитроне. До появления пробоя сопротивление стабилитрона очень велико, поэтому ток, протекающий через него очень мал (десятки мкА). При достижении напряжения на стабилитроне величины U_ст ток через стабилитрон резко возрастает, а напряжение на нем перестает изменяться.

Изменяя напряжение источника питания Е «0…30В» от минимального до максимального значений, измеряйте ток протекающий через стабилитрон и напряжение на стабилитроне. Величины напряжений Е и U_обр устанавливать в соответствии с таблицей 2.1.1, при этом в области пробоя, предварительно определённого с помощью осциллографа (от 6, 5 до 7 В), зависимость I(u_обр) необходимо исследовать более подробно для чего установить шаг изменения напряжения на стабилитроне U_обр – 0, 1В. Результаты измерений занесите в таблицу 2.1.1.

Таблица 2.1.1.

2.1.2.3. По результатам измерений приведенным в таблице 2.1.1, определить величину сопротивления R_б (R₃) воспользовавшись выражением

. (2.1.2)

Указания

Для повышения точности определения величины сопротивления расчет R₃ провести для нескольких точек, а результат усреднить.

2.1.2.4. По результатам приведенных в таблице измерений в середине рабочего участка ВАХ, соответствующего электрическому пробою p-n перехода, определить дифференциальное сопротивление стабилитрона воспользовавшись выражением

r_диф= . (2.1.3)

2.1.2.5. Исследовать прямую ветвь ВАХ стабилитрона, воспользовавшись схемой рис. 2.1.5.

Рис. 2.1.5. Схема исследований прямой ветви ВАХ.

Указания

Изменяя напряжение источника 0…30В устанавливать на стабилитроне напряжение U_ПР в соответствие с таблицей 2.1.2 и фиксировать значения тока протекающего через стабилитрон. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.2.

Таблица 2.1.2.

2.1.2.6. Построить на одном графике прямую и обратную ветви ВАХ исследуемого стабилитрона. При этом для построения обратной ветви следует использовать растянутый масштаб в диапазоне обратных напряжений (0, 9 – 1, 1 U_cт).

Рис. 2.1.6. ВАХ стабилитрона.

Указания

В зависимости от полученных результатов измерений масштаб по осям графика может быть изменён.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

2.1.3.1. Тема и цель занятия.

2.1.3.2. Условное графическое обозначение стабилитрона.

2.1.3.3. Схемы исследования стабилитронов.

2.1.3.4. ВАХ стабилитрона, полученная с использованием осциллографа.

2.1.3.5. Таблицы с опытными данными.

2.1.3.6. ВАХ стабилитрона.

2.1.3.7. Расчет балансного и дифференциального сопротивлений.

2.1.3.8. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

2.1.4.1. Объясните физический смысл лавинного пробоя p-n перехода.

2.1.4.2. Перечислите основные электрические и предельно допустимые эксплуатационные параметры стабилитрона и объясните их содержание.

2.1.4.3. Используя построенную ВАХ стабилитрона, найдите напряжение на стабилитронах при встречно - последовательном (I_ст = 5мА) и встречно-параллельном включении (I_ст = 10 мА). Дайте схемы этих включений.

2.1.4.4. Изобразите схему замещения стабистора, найдите параметры этой схемы, используя полученную ВАХ стабилитрона.

2.1.4.5. Какие возможности дает последовательное соединение стабилитронов, и какие условия нужно соблюдать при этом?

2.1.4.6. Допустимо ли параллельное соединение стабилитронов? Если да, то, какие это даст преимущества, если нет, то почему?

ЛИТЕРАТУРА. [1] – c. 40 – 41, [2] – с. 40…43, [3] – с. 30…32, 41…42, [6] – 33…36.