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

	Значения параметров ВАХ
UВХ, В	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
UСТ, В
IСТ, мА

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

	Значения параметров схемы
UВХ, В	15 В		20 В		30 В
RН, мА	отключено	включено	отключено	включено	отключено	включено
UСТ, В
IСТ, мА
IН, мА	–		–		–

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