Стабилитрон. Лабораторная работа Стабилитрон2. Исследование работы параметрического стабилизатора

• Название: Исследование работы параметрического стабилизатора
• Анкор: Стабилитрон
• Дата: 24.03.2022
• Размер: 1.15 Mb.
• Имя файла: Лабораторная работа Стабилитрон2.docx
• Тип: Исследование; #414194

Лабораторная работа
Исследование работы параметрического стабилизатора

Цель работы: исследовать стабилитрон и определить основные характеристики параметрического стабилизатора напряжения.

Теоретические сведения

Часто мы имеем дело с устройствами, которые имеют требования по питанию, например, для многих микросхем и микроконтроллеров рабочее напряжение питания составляет 5В

Стабилитрон

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на обратной ветви ВАХ которого в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 1. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне (Uст) лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации (Iст). Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.



Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона

В стабилитронах могут возникать два вида электрического пробоя: туннельный (зенеровский) пробой — для диодов с U_СТ > 5В, лавинный пробой — для диодов с U_СТ > 7В. В интервале 5...7 В возникает смешанный вид пробоя.

Независимо от напряжения стабилизации и существующего вида пробоя, в различной литературе (особенно в зарубежной) стабилитроны часто называют по имени первооткрывателя туннельного пробоя — зенеровскими диодами или просто зенерами (Zeners).
Существующие стабилитроны имеют минимальное напряжение стабилизации примерно до 3 В. Для получения меньшего напряжения стабилизации используется прямая ветвь ВАХ p-n-перехода (Рисунок 2), а полупроводниковые приборы, реализующие такую функцию называются стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем имеет значение 0,7...2 В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Помимо кремниевых стабисторов, хорошие показатели реализуемы у приборов, изготовленных из селена (селеновые стабисторы).


Рисунок 2 – Вольт-амперная характеристика стабистора

Некоторые стабилитроны могут использоваться в импульсных режимах. Они применяются для стабилизации амплитуды импульсов, их ограничения, а также для защиты входов чувствительных устройств от перегрузок по напряжению. Такие стабилитроны называются импульсными стабилитронами.

Для применения в критически важных каскадах и измерительной аппаратуре разработаны специальные прецизионные стабилитроны. В этих приборах путем последовательного соединения двух или более p-n-переходов достигается высокая точность и устойчивость напряжения стабилизации к изменениям тока и температуры (αUст ≤ 0,0005%/∘C).

Наряду со стабилитронами, имеющими несимметричную ВАХ, выпускаются двуханодные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ. Они применяются для двустороннего ограничения напряжения, могут использоваться так же и как опорные стабилитроны.

Маркировка стабилитрона

Маркировка наносится на корпус стабилитрона в виде цифр и букв (или буквы). Различают принципиально два разных типа маркировки (Рисунок 3). Стабилитрон в стеклянном корпусе имеет привычную для нас маркировку, непосредственно обозначающую номинальное напряжение стабилизации. Цифры могут быть разделены буквой V, выполняющую роль десятичной точки. Например, 5V1 означает 5,1 В.



Рисунок 3 – Маркировка стабилитрона

Другой способ маркировки состоит из четырех цифр и буквы в конце, например, 1N5349B. В таком случае параметры можно узнать в техническом описании диода.

Также применяют цветовую маркировку стабилитронов. Расположение катода и анода в данном случае зависит от конкретной модели и определяется по справочнику. Например, Цветовая маркировка стабилитронов и стабисторов https://static.chipdip.ru/lib/696/DOC000696302.pdf.

Параметрический стабилизатор напряжения

Рассмотрим схему включения стабилитрона.



Рисунок 4 – Схема включения стабилитрона в параметрическом стабилизаторе

Стабилитрон, в отличие от диода, включают в обратном направлении, т.е. катодом к положительному выводу входного напряжения U_ВХ. На рабочей обратной ветви опорного диода выделяют три основные значения обратного тока:

• 
  Минимальное. При силе тока, которая меньше минимального значения, стабилитрон остается закрытым.
  
• 
  Оптимальное. При изменении тока в широких пределах между точками 1 и 3 значение напряжения меняется несущественно.
  
• 
  Максимальное. При подаче тока выше максимальной величины опорный диод перегреется и выйдет из строя. Максимальное значение тока ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью, которая очень зависит от внешних температурных условий.
  

В случае, если U_ВХ меньше Uст, стабилитрон закрыт и напряжение на выходе параметрического стабилизатора U_ВЫХ равно входному U_ВХ. При повышении U_ВХ до уровня, превышающего Uст напряжение на выходе U_ВЫХ примерно равно рабочему напряжению стабилитрона Uст.

Для расчета сопротивления R необходимо задать U_ВХ и U_СТ. Исходя из U_СТ выбираем стабилитрон. Например, диод КС447А. Из технического описания (Таблица 1 – Технические характеристики стабилитронов) видно, что ток стабилизации может быть выбран из диапазона 3 – 139 мА. Конкретное значение тока стабилизации определяется требуемой потребляемой мощностью нагрузки. Выберем для примера ток стабилизации I = 10 мА. Прямая рассеиваемая мощность стабилитрона Pпр = 1 Вт. При входном напряжении 10 В сопротивление
.
Таблица 1 – Технические характеристики стабилитронов

Тип стабилитрона	UСТ			αUСТ		UПР (при IПР)	RСТ	IСТ		РMAX
	мин	ном	макс	Iст.ном.				мин	макс
	В	В	В	мА	%/С	В (мА)	Ом	мА	мА	Вт
КС447А	4,23	4,7	5,17	43	–0,08..+0,03	1 (50)	18	3	159	1
КС456А	5,04	5,6	6,16	36	0..+0,05	1 (50)	7	3	139	1
КС468А	6,12	6,8	7,48	30	0..+0,065	1 (50)	5	3	119	1

Условные обозначения электрических параметров стабилитронов:

U_СТ – напряжение стабилизации стабилитрона;

αU_СТ – температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона;

U_ПР – постоянное прямое напряжение;

I_ПР – постоянный прямой ток;

R_СТ – дифференциальное сопротивление стабилитрона;

I_СТ – ток стабилизации стабилитрона;

Р_MAX – рассеиваемая мощность стабилитрона;

Т_{К. МАХ} – максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона;

Т_{П. МАХ} – максимально-допустимая температура перехода стабилитрона;

Т_ОКР – температура окружающей среды.
Линейный стабилизатор напряжения

Так как ток стабилитрона маленький, то такой стабилизатор может быть использован для создания опорного напряжения, например, микросхем.

Для поддержания работы мощных устройств применяется линейный стабилизатор, в котором на выходе параметрического стабилизатора подключается усилитель тока.



Рисунок 5 – Схема линейного стабилизатора напряжения

Получаем стабилизированное напряжение, которое подаем на усилитель тока, выполненный по схеме с общей базой. Коэффициент передачи такого усилителя определяется параметрами самого транзистора. Коэффициент передачи равен отношению тока коллектора к току базы.

Ток базы 10 мА. Предположим, что коэффициент передачи транзистора равен 100. Тогда ток коллектора равен 1 А.

Практическая часть

Задание 1. Установить основные характеристики диода и стабилитрона.

Оборудование: источник постоянного напряжения, диоды.
Порядок выполнения:

1. 
   Уровень падения напряжения на диоде U_{пр. и}.
   

Подключите диод к источнику питания. Установите ток защиты 100мА, напряжение изменяйте от 0 до уровня, при котором произойдет короткое замыкание и отключение блока питания (загорится индикатор, сигнализирующий о превышении тока защиты).

Заполните .

2. 
   Уровень обратного напряжения диода U_{обр. и}.
   

Включить диод в обратном направлении. Увеличиваем напряжение десятками.

Заполните .

Таблица 2

Маркировка диода	Материал	Uпр. и	Uпр. п	Uобр. и	Uобр. п	Iпр.	Rогр

3. 
   Исследование работы стабилитрона. Установите по техническому описанию диода параметры Iст и Uст. Рассчитайте сопротивление ограничивающего резистора для стабилитрона. Проверьте U_СТ при помощи блока питания: подключите стабилитрон в обратном направлении. Установите ток защиты, соответствующий току стабилизации.
   

Заполните Таблица 3.
Таблица 3

Маркировка диода	UСТ	IСТ.	Rогр

Задание 2. Исследование параметрического стабилизатора напряжения.

Оборудование:

источник постоянного напряжения, вольтметр, амперметр.

Соберите схему согласно Рисунок 4.

Порядок выполнения:

1. 
   Измерить изменение силы тока и напряжения на нагрузке при повышении уровня входного напряжения
   

Uвх
Uвых
Iст

Постройте графики зависимости тока, протекающего через стабилизатор от входного напряжения и выходного напряжения параметрического стабилизатора от уровня на входе схемы.

Рассчитайте коэффициент стабилизации.

Контрольные вопросы

1. 
   Для каких целей применяются стабилитроны? Какая ветвь ВАХ стабилитрона является рабочей?
   
2. 
   Что такое стабисторы?
   
3. 
   Чем стабисторы отличаются от стабилитронов?
   
4. 
   Что такое дифференциальное сопротивление стабилитрона?
   
5. 
   Можно ли включать стабилитроны последовательно? Параллельно? Какие дополнительные качества можно при этом получить?
   
6. 
   Какие существуют способы термокомпенсации параметров стабилитрона?
   
7. 
   Приведите схему параметрического стабилизатора напряжения и опишите его работу.
   
8. 
   Как определить коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения?