Стабилитроны
Прочное место в источниках питания, особенно низковольтных, завоевали полупроводниковые стабилитроны, работающие также на обратной ветви вольт-амперной характеристики.
Это плоскостные кремниевые диоды, изготовленные по особой технологии. При включении их в обратном направлении и определенном напряжении -на переходе последний «пробивается», и в дальнейшем, несмотря на увеличение тока черезпереход напряжение на нем остался почти неизменным.
Рис. 5. Стабилитрон и его обозначение на схемах.
Благодари этому свойству стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений в стабилизаторах на транзисторах.
Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают в прямом направлении, при этом напряжение стабилизации одного стабилитрона равно 0,7... 0,8 В. Такие же результаты получаются при включении в прямом направлении обычных кремниевых диодов.
Для стабилизации низких напряжений разработаны и широко применяются специальные полупроводниковые диоды — стабисторы. Отличие их от стабилитронов в том, что они работают на прямой ветви вольт-амперной характеристики, т. е. при включении в прямом (проводящем) направлении.
Чтобы показать на схеме стабилитрон, черточку-катод базового символа дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. а). Следует отметить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положения условного обозначения стабилитрона на схеме.
Это в полной мере относится и к символу двух-анодного (двустороннего) стабилитрона (рис. б), который можно включать в электрическую цепь в любом направлении (по сути, это два встречно включенных одинаковых стабилитрона).
Принцип действия
Стабилитрон был открыт американским физиком Кларенсом Мелвином Зенером, именем которого его и назвали. Электрический пробой p-n перехода может быть обусловлен туннельным пробоем (в этом случае пробой носит название Зенеровского), лавинным пробоем, пробоем в результате тепловой неустойчивости, который наступает из-за разрушительного саморазогрева токами утечки.
И инженеры конструируют эти элементы таким образом, чтобы возникновение туннельного и/или лавинного пробоя произошло задолго до того, как в них возникнет вероятность теплового пробоя.
Величина напряжения пробоя зависит от концентрации примесей и способа легирования p-n- перехода. Чем больше концентрация примесей и чем выше их градиент в переходе, тем ниже обратное напряжение, при котором образуется пробой.
•Туннельный (зенеровский) пробой появляется в полупроводнике в тех случаях, когда напряженность электрического поля в p-n зоне равна 106 В/см. Такая высокая напряженность может возникнуть только в высоколегированных диодах. При напряжениях пробоя, находящихся в диапазоне 4,5…6,7 В, сосуществуют туннельный и лавинный эффекты, а вот при напряжении пробоя менее 4,5 В остается только туннельный эффект.
•В стабилитронах с небольшими уровнями легирования или меньшими градиентами легирующих добавок присутствует только лавинный механизм пробоя, который появляется при напряжении пробоя примерно 4,5 В. А при напряжении выше 7,2 В остается только лавинный эффект, а туннельный полностью исчезает.
Как было сказано ранее, при прямом подключении стабилитрон при прямом включении ведет себя так же, как и обычный диод, – он пропускает ток. Различия между ними возникают при обратном подключении.
Обычный диод при обратном подключении запирает ток, а стабилитрон при достижении обратным напряжением величины, которая называется напряжением стабилизации, начинает пропускать ток в обратном направлении. Это объясняется тем, что при подаче на стабилитрон напряжения, которое превышает U ном. устройства, в полупроводнике возникает процесс, называемый пробоем. Пробой может быть туннельным, лавинным, тепловым. В результате пробоя ток, протекающий через стабилитрон, возрастает до максимального значения, ограниченного резистором. После достижения напряжения пробоя ток остается примерно постоянным в широком диапазоне обратных напряжений. Точка, в которой напряжение запускает ток, может очень точно устанавливаться в процессе производства легированием. Поэтому каждому элементу присваивают определенное напряжение пробоя (стабилизации).
Стабилитрон используется только в режиме «обратного смещения», то есть его анод подключается к «-» источника питания. Способность стабилитрона запускать обратный ток при достижении напряжения пробоя применяется для регулирования и стабилизации напряжения при изменении напряжения питания или подключенной нагрузки. Использование стабилитрона позволяет обеспечить постоянное выходное напряжение для подключенного потребителя при перепадах напряжения ИП или меняющемся токе потребителя.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ стабилитрона, как и обычного диода, имеет две ветви – прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочим режимом для традиционного диода, а обратная характеризует работу стабилитрона. Стабилитрон называют опорным диодом, а источник напряжения, в схеме которого есть стабилитрон, называют опорным.
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.
Области применения
Основная область применения этих элементов – стабилизация постоянного напряжения в маломощных ИП или в отдельных узлах, мощность которых не более десятков ватт. С помощью опорных диодов обеспечивают нормальный рабочий режим транзисторов, микросхем, микроконтроллеров.
В стабилизаторах простой конструкции стабилитрон является одновременно источником опорного напряжения и регулятором. В более сложных конструкциях стабилитрон служит только источником опорного напряжения, а для силового регулирования применяется внешний силовой транзистор.
Термокомпенсированные стабилитроны и детали со скрытой структурой востребованы в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения. Для защиты электрической аппаратуры от перенапряжений разработаны импульсные лавинные стабилитроны. Для защиты входов электрических приборов и затворов полевых транзисторов в схему устанавливают рядовые маломощные стабилитроны. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП) изготавливаются с одним кристаллом, на котором расположены: защитный стабилитрон и силовой транзистор.
Основные характеристики
Впаспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:
•Номинальное напряжение стабилизации Uст. Этот параметр выбирает производитель устройства.
•Диапазон рабочих токов. Минимальный ток – величина тока, при которой начинается процесс стабилизации. Максимальный ток – значение, выше которого устройство разрушается.
•Максимальная мощность рассеивания. В маломощных элементах это паспортная величина. В паспортах мощных стабилитронов для расчета условий охлаждения производитель указывает: максимально допустимую температуру полупроводника и коэффициент теплового сопротивления корпуса.
Помимо параметров, указываемых в паспорте, стабилитроны характеризуются и другими величинами, среди которых:
•Дифференциальное сопротивление. Это свойство определяет нестабильность устройства по напряжению питания и по току нагрузки. Первый недостаток устраняется запитыванием стабилизирующего диода от источника постоянного тока, а второй – включением между стабилитроном и нагрузкой буферного усилителя постоянного тока с эмиттерным повторителем.
•Температурный коэффициент напряжения. В соответствии со стандартом эта величина равна отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению наружной температуры. В нетермостабилизированных стабилитронах при нагреве от +25°C до +125°C напряжение стабилизации сдвигается на 5-10% от первоначального значения.
•Дрейф и шум. Эти характеристики для обычных стабилитронов не определяются. Для прецизионных устройств они являются очень важными свойствами. В обычных (непрецизионных) стабилитронах шум создают: большое количество посторонних примесей и дефекты кристаллической решетки в области p-n перехода. Способы снижения шума (если в этом есть необходимость): защитная пассивация оксидом или стеклом (примеси направляются вглубь кристалла) или перемещением вглубь кристалла самого p-n-перехода. Второй способ является более радикальным. Он востребован в диодах с низким уровнем шума со скрытой структурой.