Стабилитроны

Стабилитроны (их называют еще опорными диодами) представляют собой полупроводниковый диод с р-n-переходом, в котором специальным подбором исходных материалов добиваются высокого постоянства падения напряжения независимо от значений протекающего через него обратного тока. На рис. 17 приведена вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона типа 2С162А, предназначенного для формирования опорного напряжения (6,2±0,3) В. Прямая ветвь вольт-ампер ной характеристики имеет такой же вид, как и у обычных выпрямительных кремниевых диодов, а обратная ветвь отличается наличием резкого излома в точке с напряжением U_CТ Это напряжение называется номинальным напряжением стабилизации. Оно остается практически постоянным на рабочем участке вольт-амперной характеристики при изменении обратного тока от I_MIN до I_MAX. Для стабилитрона типа 2С162А эти токи соответственно равны 3 и 22 мА.

Промышленностью выпускается широкий ассортимент стабилитронов с номинальным напряжением стабилизации от 3,3 до 180 В (с шагом примерно 10 %), различающихся величиной допуска ∆Ucт на разброс Ucт, температурной нестабильностью этого параметра ст, допустимой мощностью Р мах, рассеиваемой в стабилитроне, динамическим сопротивлением Rдин (т.е. наклоном рабочего участка вольт-амперной характеристики), конструктивным исполнением, диапазоном рабочих температур T. Эти и некоторые до­полнительные параметры стабилитронов приводятся в справочных данных.

Конструктивное оформление стабилитронов мало отличается от оформления выпрямительных диодов. Стабилитроны малой мощности от 20 до 300 мВт выпускаются в круглых пластмассовых или металлических корпусах диаметром 5-10 мм и длиной около 12-25 мм. Выпускаются стабилитроны и в бескорпусном оформлении в виде пластмассовых таблеток с поперечными размерами не более 2 мм (например, стабилитрон типа КС164М). Стабилитроны средней мощности свыше 300 мВт и до 5 Вт оформлены в металлических или пластмассовых корпусах с гибкими или жесткими выводами. В последнем случае анодный вывод стабилитрона имеет резьбу, что позволяет осуществлять его надежный монтаж на охлаждающем радиаторе. Все стабилитроны большой мощности, равной 8 Вт, имеют жесткие выводы для установки на радиаторе.

Основные технические характеристики некоторых типов стабилитронов приведены в табл. 4.

н

Для получения стабильного напряжения на зажимах некоторого сопротивления нагрузкиR_Н стабилитрон включают так, как показано на рис. 18. РезисторR1 cлужит для ограничения тока, протекающего через стабилитрон VD1. При увеличении входного напряжения от своего минимального значения до максимального ток в стабилитронe I_CT также увеличивается, однако за счет действия резисторa R1 удерживается в допустимых пределах от Imin до Imax. При этом на стабилитроне устанавливается номинальное напряжение стабилизации U_CT которое почти не возрастает. В нагрузке R_Н протекает ток I_H= U_СТ/ R_Н также практически неизменной величины. Порядок пользования справочными данными покажем на примере расчета простейшего стабилизатора напряжения, приведенного на рис. 18.

Пример. Пусть электронное устройство требуется обеспечить стабильным напряжением питания, номинальная величина которого равнаU_СТ = (15 ± 1) В. Ток, потребляемый устройством, I_Н = 15мА. При этом напряжение первичного источника U_П, которым является локомотивная батарея, равно (70 ± 20) В, т. е. изменяется от U_Пmin - 50В до U_Пmax - 90 В.

Расчет стабилизатора проводят в следующей последовательности. Вначале определяют максимально необходимый обратный ток стабилитрона:

(1)

Затем проверяют, удовлетворяет ли полученное значение этого тока не­равенству

I _Д < I _MAX, (2)

после чего находят величину ограничительного сопротивления R1:

R1 = (U _{П. MAX} – U _{П. MIN})/(I _Д – I _MIN). (3)

Выбираем стабилитрон типа КС515Г со следующими параметрами, при­веденными в табл. 4:

U _СТ= 15 ± 0,05·15= (15 ± 0,75) В; R _ДИН» 25 Ом;

 _СТ= 0,005 %/°С; I _MIN = ЗмА; I _MAX = 31 мА.

Пользуясь выражением (1), находим величину I _Д:

Убеждаемся, что условие (2) удовлетворяется, так как 24 < 31. В соответствии с выражением (3) находим R1:

R1 = (90 — 50)/[(24—3) 10^-3] =1,95-10³» 2 кОм.

Нетрудно подсчитать, что при этом сопротивлении резистора и минимальном напряжении питания ток, протекающий через стабилитрон, равен 3 мА. Тогда при изменении напряжения питания с 50 до 90. В изменение напряже­ния на электронном устройстве по отношению к номинальному

Термостабильность выходного напряжения определим при условии, что окружающая температура может изменяться от –10 до +50°С. Отсюда не­стабильность ∆ U _СТ.Т напряжения на нагрузке, обусловленная изменением температуры на величину ∆ T = 50–(–10) = 60°С (по отношению к номинальной температуре, равной 20°С),

Таким образом, суммарная нестабильность выходного напряжения рассматриваемого стабилизатора

∆ U _СТ = ∆ U _СТ.ПИТ + ∆ U _СТ.Т = ±0,28В.

Отсюда следует, что относительная нестабильность выходного напряжения не превышает

Отметим, что относительная нестабильность исходного напряжения питания значительно выше:

Таким образом, рассмотренный стабилизатор напряжения при указанном изменении внешней температуры более чем в 14 раз повышает стабильность напряжения на нагрузке по сравнению со стабильностью исходного напряжения питания.