Чем отличается стабилитрон от стабистора

Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации, т. е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры.

Конструкции стабилитронов широкого применения аналогичны выпрямительным диодам (рис. 1 и 2).

Рис. 1 — Стабилитрон Д814В.
На корпусе иммется схематическое обозначение диода, указывающее, где находятся катод и анод.

Рис. 2 — Зарубежный стабилитрон.
Надпись 5V1 — напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 В.
Катод помечается в основном черной полоской

Работает стабилитрон не на прямой, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на участке обратной ветви вольтамперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона поможет его вольтамперная характеристика (рис. 3).

Рис. 3 — Вольтамперная характеристика стабилитрона

Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с минусом, а катод с плюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток I_обр . По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень мало — характеристика идет почти параллельно оси U_обр . Но при некотором напряжении U_обр p-n-переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт-амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси I_обр . Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное — не переборщить силу тока, больше чем I_max , иначе стабилитрон выходит из строя. Пробой p-n-перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторой допустимой величины.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Самым лучшим рабочим режимом стабилитрончика считается режим, при котором сила тока на стабилитроне находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (рис. 4).

Рис. 4 — Рабочая точка стабилитрона

Стабистор, как и выпрямительный диод, работает на прямой ветви вольтамперной характеристики (рис. 5).

Рис. 5 — Вольтамперная характеристика стабистора

Стабистор открывается при незначительном прямом напряжении U_пр и через него начинает течь нарастающий по величине прямой ток I_пр . Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабистора проходит почти параллельно оси I_пр . При значительном изменении прямого тока через стабистор падение напряжения на нем изменяется очень мало. Это свойство стабистора и используется для стабилизации напряжения.

Параметры стабилитронов

Наиболее важные параметры (характеристики) стабилитронов и стабисторов:

• номинальное напряжение стабилизацииU_ст — падение напряжения, которое создается между выводами стабилизатора или стабистора в рабочем режиме.
• номинальныйток стабилизацииI_ст ,
• минимальный ток стабилизацииI_ст.мин — для стабилитрона — наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме «пробоя» (на рис.1 — линия I_ст.мин); для стабистора — наименьший прямой ток, при котором крутизна вольт-амперной характеристики резко уменьшается (на рис.2 — на уровне линии I_ст.мин) . С уменьшением этого тока приборы перестают стабилизировать напряжение.
• максимальный ток стабилизацииI_{ст.макс} — это наибольший ток через прибор, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой (на рис. 1 и 2 — линии I_{ст.макс} ). Превышение тока I_{ст.макс} ведет к тепловому пробою р-n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Использование стабилитронов

Стабилитроны часто используются стабилизации выходного напряжения источника питания (рис. 6).

Рис. 6 — Схема простого источника питания

Слева — выпрямитель, с помощью которого получаем постоянное напряжение из переменного. Справа — стабилизатор.

Источники:

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2020

Стабилитроны и стабисторы: классификация, устройство, принцип и режимы работы, основные параметры, применение

Стабилитроны и стабисторы: классификация, устройство, принцип и режимы работы, основные параметры, применение

Стабилитрон

Стабилитроном называется радиокомпонент, конструктивно напоминающий диод, но кардинально отличающийся от него характером функционирования. Ключевым элементом так же, как и в обычном полупроводниковом вентиле, является полупроводниковый p-n-переход. И реакции обоих элементов на подачу обратного напряжения схожи – они оба запираются. Разница заключается в том, что пробой p-n-переходной зоны, который наступает при достижении обратным смещением некоего критического значения и выводит диод из строя, для стабилитрона является рабочим режимом.

Основа функциональности стабилитрона состоит в том, что при довольно больших изменениях обратного тока напряжение на элементе остаётся практически неизменным. Другими словами, насколько бы существенным ни было обратное смещение, радиокомпонент будет поддерживать постоянный уровень выходной разности потенциалов. Эта стабилизированное напряжение может использоваться в качестве опорного, что и находит применение в реальных радиоэлектронных устройствах, критичных к электрическим характеристикам сигнала.

Туннельный и лавинный пробой

Пробой p-n-перехода, при котором работают стабилитроны, может быть лавинным или туннельным. Они являются электрическими и носят обратимый характер. То есть при отключении обратного смещения физико-химические свойства полупроводников восстанавливаются, и диод продолжает исполнять свои функции. Однако в случае стабилитронов условия возникновения пробоя создаются и поддерживаются искусственно.

В основе лавинного и туннельного пробоя лежат одноимённые квантовые эффекты, наблюдаемые в кристаллической структуре полупроводника при возбуждении электрического поля. При разной природе и механизмах данных процессов их последствия одинаковы – электроны приобретают энергию, достаточную для прохождения через p-n-переход. Возникает пробой, и через диод начинает протекать обратный ток.

Именно в этом режиме и работает стабилитрон. При этом существует различие между радиокомпонентами, в которых используются разные эффекты. Стабилитроны, функционирующие при лавинном пробое, оперируют разностями потенциалов свыше 7 Вольт. В элементах, рассчитанных на напряжение стабилизации 3-7 Вольт, провоцируется туннельный пробой. Для стабилизации более низких разностей потенциалов применяются стабисторы, о которых мы расскажем ниже.

Классификация стабилитронов

1. прецизионные;
2. двуханодные;
3. быстродействующие.

Двуханодный стабилитрон исполняет функцию двух стабилитронов, включенных встречно. Это позволяет элементу обрабатывать сигналы и с одинаковой эффективностью обрабатывать напряжения разной полярности. Такая радиодеталь изготавливается в едином технологическом цикле, когда на одном кристалле кремния выращивается два встречных p-n-перехода, но, в принципе, роль двуханодного радиокомпонента могут играть и два дискретных стабилитрона, взаимно соединённых катодами.

И, наконец, стабилитроны третьего типа – быстродействующие – отличаются пониженной барьерной ёмкостью, вследствие чего сокращается продолжительность переходных процессов, протекающих в полупроводнике. Эти радиокомпоненты являются наилучшим решением для работы с импульсными сигналами. Конструктивная особенность данных элементов состоит в небольшой ширине p-n-перехода, которая обеспечивается применением особой технологии легирования полупроводника.

Стабистор

Немного по-другому функционируют радиокомпоненты, называемые стабисторами, о которых мы говорили выше. Они исполняют ту же функцию, то есть стабилизируют выходное напряжение, но являются низковольтными. Обычные стабилитроны не способны оперировать малыми разностями потенциалов. При напряжениях до 3 Вольт не возникает условий ни для лавинного, ни для туннельного пробоя p-n-перехода. Для стабилизации меньших напряжений прибегают к другому решению, а именно к использованию не обратного, а прямого смещения.

Установлено, что в сильно легированном p-n-переходе дырки и электроны рекомбинируют таким образом, что при значительном прямом токе наблюдается эффект стабилизации выходного напряжения на уровне 2,5-3 Вольт. Это обуславливает ключевое технологическое различие стабилитронов и стабисторов. Вторые предназначены для работы только в низковольтных радиосхемах.

Применение стабилитронов и стабисторов

Хорошие стабилизирующие свойства стабилитронов и стабисторов обуславливают основную сферу применения этих радиокомпонентов – создание фиксированного питающего и опорного напряжения в различных радиоэлектронных устройствах. На первом месте по распространённости стоят стабилитроны, используемые в источниках питания. Применение этих специализированных диодов обеспечивает стабильные выходные параметры питающего напряжения и одновременно упрощает схему.

В блоках питания с повышенными требованиями по точности выходных характеристик находят применение прецизионные стабилитроны. Эти элементы устанавливаются в высокоточной измерительной аппаратуре и аналого-цифровых преобразователях. Двуханодные стабилитроны используются в подавителях импульсных помех. Данные радиокомпоненты в реальных схемах нередко сочетаются с импульсными диодами. Быстродействующие стабилитроны в сочетании с СВЧ-диодами применяются в аппаратуре, работающей на сверхвысоких частотах – передатчиках, радиолокаторах и так далее.

Основные параметры

1. Напряжение стабилизации;
2. Ток стабилизации;
3. Разброс напряжения стабилизации;
4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации;
5. Временная нестабильность напряжения стабилизации;
6. Дифференциальное сопротивление;
7. Минимальный ток стабилизации;
8. Максимальный ток стабилизации;
9. Рассеиваемая мощность;
10. Максимально-допустимая температура корпуса;
11. Максимально-допустимая температура перехода.

Стабилитрон и стабистор

Внешний вид неко­торых конструкций и графическое обозначение стабилитронов и стабисторов на схемах показаны на рис. 86.

Конструкции стабилитронов широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямой, как выпря­мительные или высокочастотные диоды, а на том участке обратной ветви вольт-амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызы­вает значительное увеличение обратного тока через прибор.

Разобраться в сущ­ности действия стабилитрона тебе поможет его вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 87, а. Здесь (как и на рис. 81) по горизонтальной оси отложены в некотором масштабе обратное напряжение а по вертикальной оси вниз — обратный ток /обр. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с минусом, а катод с плюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток /обр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень мало — характеристика идет почти параллельно оси Uобр. Но при некотором напряжении Uобр (на рис. 87, а — около 8 В) р-п переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт-амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр. Этот участок и является для стабилитрона ра­бочим. Пробой же р-п перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторой допустимой величины.

На рис. 87, б приведена схема возможного практического применения ста­билитрона, с помощью которого на нагрузку должно подаваться стабильное (неизменяющееся) напряжение. При таком включении через стабилизатор Д течет обратный ток Iобр, создающийся источником питания Uпит, напряжение которого непостоянно. Под действием этого напряжения ток Iобр, текущий через стаби­литрон, тоже изменяется, а напряжение на нем, а значит, и на подключенной к нему нагрузке Rн остается практически неизменным. Резистор R ограничивает максимально допустимый ток, текущий через стабилитрон.

Стабистор, как и выпрямительный диод, работает на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 88, а). Стабистор открывается при незна­чительном прямом напряжении Unp и через него начинает течь нарастающий по величине прямой ток Iпр. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики ста­бистора проходит почти параллельно оси Iпр; при значительном изменении прямого тока через стабистор падение напряжения на нем изменяется очень мало. Это свойство стабистора и используется для стабилизации напряжения.

Посмотри на рис. 88,6, где показана схема возможного практического применения стабистора. Принципиально такое устройство работает так же, как со стабилитроном, только на стабистор Д подается прямое напряжение.

Вот наиболее важные параметры (характеристики) стабилитронов и стабисторов: напряжение стабилизации Uст, ток стабилизации Iст, минимальный ток стабилизации Iстмин и максимальный ток стабилизации Iстмакс.

Параметр — это то падение напряжения, которое создается между вы­водами стабилизатора или стабистора в рабочем режиме. Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации Uст от не­скольких вольт до 180 В, а стабисторы — на Uв пределах нескольких вольт.

Минимальный ток стабилизации Iстмин — это: для стабилитрона — наимень­ший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме «пробоя» (на рис. 87, а — линия Iстмин); для стабистора — наименьший прямой ток, при котором крутизна вольт-амперной характеристики резко уменьшается (на рис. 88, а — на уровне линии Iст.мин). С уменьшением этого тока приборы перестают стабилизировать напряжение.

Максимально допустимый ток стабилизации Iст макс — это наибольший ток через прибор (не путай с током, текущим в цепи, питающейся от стабили­затора напряжения), при котором температура его р-п перехода не превышает допустимой (на рис. 87, а и 88, а — линии Iстмакс). Превышение тока Iст.макс ведет к тепловому пробою р-п перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Основные параметры некоторых стабилитронов и стабисторов, наиболее часто используемых в радиолюбительских конструкциях, приведены в прилож. 3. В блоке питания, например, о котором я буду рассказывать в восьмой беседе, будет использован стабилитрон Д813. Напряжение стабилизации этого стабили­трона (при Iст=5 мА) может быть от 11,5 до 14 В, Iст.мин ~ 3 мА, Iст.макс — 20 мА, максимальная рассеиваемая мощность Рмакс (произведение на­пряжения Uст на ток Iст.макс) 280 мВт.

Перехожу к транзисторам.

• Однополярный источник питания
• Радиомикрофон с передачей сигнала по сети 220 В
• Электрическое напряжение
• Таймер на 30 минут

15. Стабилитроны и стабисторы.

Стабилитрон – это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения на присоединенной параллельно ему нагрузке в случае изменения ее сопротивления или величины напряжения питания.При работе стабилитрона используется участок пробоя на обратной ветви ВАХ, где значительному изменению тока соответствует очень малое изменение напряжения. Напряжение стабилизации зависит от толщины p-n перехода, а толщина от величины удельного сопротивления материала

Рис 28 ВАХ стабилитрона

Рис 29 параметрический стабилизатор напряжения; 1 – нагрузка; 2 – для уменьшения пульсации вешается конденсатор.

При изменении температуры напряжение стабилизации изменяется неоднозначно. В слаболегированных полупроводниках (используются в высоковольтных стабилитронах) с ростом температуры длина свободного пробега носителей уменьшается. Для того, чтобы при меньшей длине свободного пробега носители могли приобрести энергию, достаточную для ионизации валентных связей, требуется большая величина напряженности электрического поля. Напряжение пробоя с ростом температуры должно увеличиваться. В сильнолегированных полупроводниках при росте температуры ширина запрещенной зоны падает, вероятность тунеллирования носителей увеличивается, а напряжение пробоя уменьшается. Следовательно, высоковольтные и низковольтные стабилитроны должны иметь противоположные изменения величины стабилизации при изменении температуры.Основные параметры стабилитрона:

1. напряжение стабилизации
2. минимальный и максимальный токи стабилизации
3. температурный коэффициент напряжения стабилизации
4. дифференциальное сопротивление в рабочей точке
5. статическое сопротивление в рабочей точке
6. коэффициент качества

Для стабилизации небольших напряжений (меньше 1В) используют прямую ветвь ВАХ. Предназначенные для этого полупроводниковые диоды называют стабисторами.Кремниевые стабисторы имеют напряжение стабилизации около 0,7В. Для получения малого сопротивления базы диода и меньшего прямого дифф. сопротивления используют кремний с повышенной концентрацией примеси. Стабисторы могут выполняться на основе других полупроводниковых материалов.

16. Высокочастотные и импульсные диоды.

Высокочастотные диоды предназначены для детектирования колебаний высокой частоты и используются в радиоприемной, телевизионной и другой аппаратуре.Они могут быть точечными, дифф-ными, сплавными или иметь мезаструктуру.

Рис 31 конструкция ВЧ диода. 1 – внешние выводы; 2 – кристалл; 3 – стеклянный корпус; 4 – вольфрамовый электрод

Рис 32 а) эквивалентная схема p—n перехода; б) ВАХ точечного германиевого диода

Эквивалентная схема кроме сопротивления перехода и емкости перехода содержит сопротивление растекания. Его величина определяется геометрическими размерами и конфигурацией точечного перехода. Если предположить, что контакт имеет полусферическую форму, то величина сопротивления растекания приближенно может быть определена: , где — удельное объемное сопротивление полупроводника; — радиус закругления контакта .Барьерная емкость точечных диодов не превышает 1пФ, их рабочая частота достигает 150МГц.Высокочастотные кремниевые диоды в конструктивном отношении не отличаются от германиевых. ВАХ кремниевых микросплавных диодов близки к теоретическим, если эксплуатация диодов соответствует паспортным режимам.

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в устройствах импульсной техники. Особенностью их работы является значительное проявление эффектов накопления и рассеивания носителей при больших уровнях мощность переключающего сигнала. Переходы импульсных диодов изготавливаются такими же методами, как и высокочастотные.

Рис 33 конструкция импульсных диодов. 1 – кристаллодержатель; 2 – стеклянный корпус; 3 – коваровая трубка; 4 – внешние выводы; 5 – контактная пружина; 6 – кристалл; 7 – припой.

Основные параметры высокочастотных и импульсных диодов

1. постоянное прямое напряжение при заданном прямом токе
2. максимальная величина обратного тока при максимальной величине обратного напряжения
3. емкость диода при заданной величине обратного напряжения
4. время восстановления обратного сопротивления
5. постоянное и импульсное обратные напряжения
6. средний выпрямленный ток
7. импульсный прямой ток
8. частота без снижения параметров, соответствующих паспортному режиму
9. диапазоны рабочих температур.