1. Цель работы
Целью работы является изучение свойств стабилитрона и принципа действия параметрического стабилизатора напряжения. В работе снимается вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона, исследуется нагрузочная характеристика стабилизатора напряжения и производится расчет коэффициента стабилизации.
2. Краткие сведения из теории
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном напряжении слабо зависит от токов заданном диапазоне. Стабилитроны применяются в параметрических стабилизаторах для стабилизации напряжения Uн на сопротивлении нагрузки Rн (рис.2). Основным дестабилизирующим фактором напряжения на сопротивлении нагрузки Uн является изменение напряжения промышленных сетей, которое может отличаться от номинального значения, в соответствии с ГОСТ 5237-69, в пределах от +5% до -15%. Для современных электронных устройств, особенно в измерительной технике, нестабильность питающего напряжения не должна превышать 10-4 %.
Действие полупроводниковых стабилитронов основано на использовании лавинного пробоя p-n-перехода, при котором происходит резкое увеличение обратного тока Iст при незначительном изменении обратного напряжения Uобр. Лавинный пробой – это электрический пробой p-n-перехода вызванный лавинным нарастанием носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов полупроводника в p-n-переходе, толщина которого превышает длину свободного пробега носителей.
 |
Электроны в области перехода приобретают на пути своего свободного пробега достаточную энергию для выбивания новых электронов из ковалентных связей, порождая тем самым два заряда – электрон и дырку. В результате этого число носителей лавинно нарастает. Обратный ток резко увеличивается, а напряжение на переходе остается при этом почти постоянным (рис.1).
Исходным материалом для стабилитронов служит кремний. В кремневых диодах при снятии обратного напряжения p-n-переход восстанавливается.
Для работы в стабилитронах используется крутой участок вольт-амперной характеристики обратного тока стабилитрона (участок аб рис.1) в пределах которого резкое изменение обратного тока сопровождается весьма малыми изменениями обратного напряжения.
Стабилитрон характеризуют следующие параметры: UСТ - номинальное напряжение стабилизации, измеряемое при некотором среднем (номинальном) токе, в случае высокой концентрации примесей имеет место лавинный пробой (рис. 1).
Наиболее часто стабилитроны применяются в схемах стабилизации напряжения. Простейшая схема параметрического стабилизатора представляет собой делитель напряжения - рисунок 2.
В данной схеме напряжение источника питания равно:
Uвх=(Iст + Iн) Rбал + Uст (1)
В режиме стабилизации:
Iн = Uст/Rн (2)
В этом случае напряжение источника питания будет равно:
Uвх = IcтRбал + Uст(1 + Rбал/Rн) (3)
 |
Уравнение (3) определяет нагрузочную характеристику стабилизатора, которую можно построить по двум точкам:
1. при Iст = 0: 2. при Uст = 0:
Uст = Uвх (1 + Rбал/Rн) Iст = Uвх / Rбал.
Координаты рабочей точки 0 пересечения нагрузочной характеристики с вольт-амперной характеристикой определяют ток стабилитрона Iст0 и напряжение Uно = Uст при заданных значениях напряжения источника питания Е и сопротивлениях Rбал и Rн.
При изменении Uвх нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе. Пока рабочая точка 0 располагается в пределах рабочего участка характеристики [аб], напряжение на нагрузке стабилизировано.
Если напряжение питания изменяется на ∆ Uвх, то напряжение на стабилитроне и нагрузке изменяется на ∆U ст « ∆ Uвх .
Из уравнения (3) следует:
∆Uвх = ∆Uст+ Rбал(∆Uст / Rн +∆Uст / rдиф ) =
= ∆Uст (1 + Rбал/ Rн + Rбал/ rдиф) (4)
Следовательно:
∆Uст = ∆Uвх /( 1 + Rбал/Rн + Rбал/ rдиф) (5)
Между изменениями входного и выходного напряжений существует зависимость:
∆ Uвх/∆Uст = Rбал/ rдиф (6)
где ∆Uст/∆Iст = rдиф – дифференциальное сопротивление стабилитрона в зоне пробоя (рис. 1).
Основным показателем, позволяющим оценить работу стабилитрона, является коэффициент стабилизации. Он показывает, во сколько раз относительное изменение входного напряжения больше, чем относительное изменение выходного напряжения:
К=∆Uвх / Uвх : ∆Uст/ Uст.
Как следует из выражения (6) коэффициент стабилизации зависит от соотношения Rбал/ rдиф .
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3. Исследование стабилитрона
3.1 Исследование стабилитрона на лабораторном стенде.
Лабораторный макет состоит из двух модулей: лабораторного модуля, на котором собирается монтажная схема для измерения параметров стабилитрона, параметрического стабилизатора и базового модуля с измерительными приборами: амперметром - А| и вольтметром - V, расположенными на панели мультиметра 1, а также амперметром А2 и вольтметром V2, расположенными на панели мультиметра 2. Источником стабилизируемого напряжения является выпрямитель Е.
3.1.1. Снятие обратной ветви волът-амперной характеристики
стабилитрона.
Электрическая схема снятия обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона приведена на рис.3.
 |
Снятие вольтамперной характеристики производится в следующем порядке.
1. Вольтметр V включить в режим измерения постоянного напряжения (U=), а амперметр А - в режим измерения постоянного тока (I=).
2. После проверки преподавателей или лаборантом собранной схемы включить питание лабораторного стенда. Включение производится выключателем в верхнем левом углу базового модуля.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.