Изучение основных свойств стабилитрона, оценка работы параметрического стабилизатора напряжения

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра “Электрическая тяга”

Лабораторная работа № 44а

“Исследование полупроводникового стабилитрона”

Выполнил:

студент группы ЭТ-401

Кожевников Д. М.

Санкт-Петербург

2006

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы – изучение основных свойств стабилитрона, оценка работы параметрического стабилизатора напряжения.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Стабилитрон - это разновидность полупроводникового диода, рабо­чей областью которого, в отличие от обычного выпрямительного диода, является обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ). Эта ветвь имеет область контролируемого лавинного пробоя, который является обра­тимым (в отличие от теплового пробоя, при котором p–n-переход разру­шается). Под действием обратного напряжения при высокой напряженно­сти внутреннего электрического поля p–n перехода, смещенного в обрат­ном направлении, происходит ударная ионизация нейтральных атомов кристаллической решетки неосновными носителями зарядов, развивается процесс лавинообразного увеличения числа носителей зарядов, в результа­те чего резко возрастает обратный ток. При лавинном характере пробоя p–n-перехода незначительное изменение напряжения вызывает резкое из­менение тока, причем в диапазоне от  до  напряжение на нем прак­тически не меняется (рис. 1). При токах больших  происходит тепловой пробой, что приводит к выходу стабилитрона из строя.

Напряжение, при котором происходит пробой, может быть различным, так как зависит от химического состава и технологии из­готовления полупроводника. Это дает возможность выпускать стаби­литроны на различное напряжение.

Стабилитроны применяются в различных устройствах: стабилиза­торах, ограничителях перенапряже­ний, в качестве опорных элементов в системах автоматического управ­ления.

Рис. 1

К основным нормируемым параметрам стабилитрона относятся:

мощность рассеяния  - мощность потерь энергии в структуре стабилитрона, превышение которой приводит к тепловому пробою стаби­литрона;

напряжение стабилизации  - падение напряжения на стабилитро­не при номинальном токе стабилизации;

минимальный ток стабилизации  - величина обратного тока стабилитрона, при котором наступает устойчивый лавинный пробой;

максимальный ток стабилизации  - величина обратного тока стабилитрона, превышение которого приводит к тепловому пробою стаби­литрона;

динамическое сопротивление  - сопротивление стабилитрона в от­крытом состоянии. Величина динамического сопротивления определяется углом наклона рабочей части ВАХ к оси напряжений (см. рис. 1):

 при ;

температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) - из­менение напряжения стабилизации в зависимости от изменения темпера­туры структуры стабилитрона:

.

Для стабилизации напряжения ста­билитрон включают параллельно нагрузке (рис. 2). Такую схему называют параметри­ческим стабилизатором напряжения. Во входную цепь стабилизатора включают балластный резистор , который ограни­чивает ток, протекающий через стабили­трон.

Маркировка стабилитронов произво­дится в зависимости от мощности и напряжения стабилизации и состоит из четырех элементов:

1-й - материал, из которого изготовлен стабилитрон: буква Г или цифра 1 (германий); буква К или цифра 2 (кремний);

2-й - функциональное назначение полупроводникового прибора: для стабилитрона -   буква С;

3-й - номер разработки в зависимости от мощности рассеяния и на­пряжения стабилизации;

4-й - буква, обозначающая разновидность прибора.

Рис. 2

Пример условного обозначения стабилитрона: КС235А (2С235А) – кремниевый стабилитрон с мощностью рассеяния до 0,3 Вт и напряжением стабилизации 35 В.

Для стабилизации напряжения в цепи переменного тока применяются встречно включенные стабилитроны или двухсторонние стабилитроны, ВАХ которых представляет собой сочетание двух обратных ветвей.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. С помощью виртуального осциллографа снять ВАХ стабилитрона.
2. Исследовать работу параметрического стабилизатора напряжения с полупроводниковым стабилитроном.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. С помощью виртуального осциллографа снять ВАХ стабилитрона

Для этого нужно собрать схему в соответствии с рис. 3. В качестве источника используется генератор стандартных сигналов. Переключатель формы сигнала необходимо установить в положение “синусоидальное”, регулятор амплитуды – в положение “0”, регулятор частоты – в минимально возможное положение. Сигнал о токе стабилитрона снимается с сопротивления      100 Ом, а сигнал о напряжении на стабилитроне – непосредственно со стабилитрона.

Рис. 3

После сборки схемы необходимо запустить программу виртуального осциллографа и снять ВАХ (рис. 5).

По полученной ВАХ определяется напряжение стабилизации:

 = 0,45 В;

 = 4,45 В;

 (А).

Также по ВАХ определяется динамическое (дифференциальное) сопротивление стабилитрона, чтобы впоследствии скорректировать расчет параметрического стабилизатора. Динамическое сопротивление стабилитрона определяется по наклону прямолинейного участка обратной ветви ВАХ у оси  (см. рис. 6).

 (Ом).

2. Исследовать работу параметрического стабилизатора напряжения с полупроводниковым стабилитроном

Чтобы исследовать работу параметрического стабилизатора напряжения с полупроводниковым стабилитроном необходимо рассчитать параметры схемы стабилизатора.

Порядок расчета параметрического стабилизатора напряжения

1. Выбрать тип стабилитрона по . Тип стабилитрона задан в таблице 1.

Таблица 1

Параметры стабилитрона 2С510А

2. Задаться величиной относительного изменения входного напряжения  и  относительно среднего значения. Эти параметры зависят от типа источника питания. В лабораторной работе можно условно считать, что колебания входного напряжения составят 10%. Тогда  = 0,9;  = 1,1.

3. Определить наибольшую величину () из разностей:

;

.

4. Рассчитать допустимый коэффициент стабилизации:

.

В предварительном расчете коэффициент стабилизации рассчитывается по параметрам нестабильности и отклонению входного напряжения:

,

где - коэффициент нестабильности (принимается из паспортных данных стабилитрона).

5. Рассчитать максимальный коэффициент стабилизации:

,

где  - минимальный ток стабилизации. Принимается из паспортных данных стабилитрона;

 - максимальный ток нагрузки. Принимается равным  = 17 мА;

 - динамическое сопротивление стабилитрона. Определяется из опыта 1 или принимается из паспортных данных стабилитрона.

 - напряжение на выходе стабилизатора. В лабораторной работе принимается .

6. Проверить соотношение  и . Должно выполняться условие

;

;

.

Если это условие не выполняется, то параметрический стабилизатор неработоспособен. Необходимо изменить схему – принять двухступенчатую стабилизацию, либо стабилизацию с биполярным транзистором.

7. Вычислить минимальное входное напряжение, при котором будет выполняться стабилизация выходного напряжения:

,

где - максимальное напряжение на выходе стабилизатора.

 (В),

где - максимальный ток  стабилитрона. Принимается из паспортных данных стабилитрона;

- номинальное напряжение стабилизации. Принимается из паспортных данных стабилитрона.

 (В).

8. Определить величину сопротивления балластного резистора:

 (Ом).

9. Определить максимальный ток стабилитрона:

,

где - минимальный ток нагрузки. В лабораторной работе принимается  = 0;

- максимальная величина входного напряжения.

 (В);

 (мА).

10. Определить максимальный входной ток:

 (мА).

11. Определить мощность балластного резистора:

 (Вт).

12. Определить расчетный КПД стабилизатора:

Далее следует определить величину минимального сопротивления нагрузки, при котором на выходе стабилизатора имеет место максимальный ток. Принимается  = 17 мА. Минимальное сопротивление нагрузки рассчитывается по формуле:

 (кОм).

После расчета собирается схема в соответствии с рис. 4. Выбирается добавочный балластный резистор , имеющий наиболее близкое к расчетному сопротивление.

Рис. 4

В качестве вольтметров используются цифровые мультиметры, а в качестве амперметров – стрелочные приборы: А₁ – 0…50 мА; А₃ – 0…20 мА.

Миллиамперметр А₂ можно не устанавливать, т.к.  .

Затем снимается характеристика стабилизатора. Показания приборов записаны в     таблице 2.

Таблица 2

Результаты наблюдений

, B	V1	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
, B	V1	0,9	1,7	2,6	3,3	4,2	5	5,9	6,7	7,6	8,4	9,2	9,6	9,6	9,6
, мА	A1	-	2,2	3,2	4,4	5,6	6,6	7,8	9	10	10,5	11,5	16,5	23	30
, мА	A2	-	0	0	0	0	0	0	0	0	-0,7	-0,9	3,7	10	17
, мА	A3	-	2,2	3,2	4,4	5,6	6,6	7,8	9	10	11,2	12,4	12,8	13	13

По данным таблицы 2 на рис. 7 построена характеристика стабилизатора .

ВЫВОД

В данной лабораторной работе мы проверили выполнение необходимого условия: ; .