5 семестр - МКіМПвСУ - Електроніка - Лабораторні - Основиелектроніки лаб - Стабілітрон
Лабораторна робота №1
Тема: Дослідження роботи кремнієвого стабілітрона.
Мета: 1. Зняти пряму та зворотну гілки вольтамперної характеристики.
2. Розрахувати коефіцієнт стабілізації стабілітрона.
1. 1. Короткі теоретичні відомості
ВАХ напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка може бути використана для стабілізації напруги. Така ділянка кремнієвих площинних діодів відповідає змінам зворотного струму в широких межах. У цьому до настання пробою зворотний струм дуже малий, а режимі пробою, тобто. в режимі стабілізації, він виходить таким самим, як і прямий струм. В даний час випускаються кремнієві стабілітрони багатьох типів. Їх називають опорними діодами, т.к. одержувані від нього стабільне напруга часом використовується як эталонного. На рис. 1.1. дана типова ВАХ стабілітрону при зворотному струмі, що показує, що в режимі стабілізації напруга змінюється мало. Характеристика для прямого струму така сама, як у звичайних діодів.
Кремневі стабілітрони можуть виготовлені на малі напруги (одиниці вольт), а саме такі потрібні для живлення багатьох транзисторних пристроїв.
Основними параметрами кремнієвих стабілітронів є такі величини. Напруга стабілізації Uст. може бути приблизно від 3,3 до 200 В, зміна струму стабілітрону від Imin до Imax становить десятки і навіть сотні міліампер. Максимальна допустима потужність Pmax, що розсіюється в стабілітроні - від сотень міліватів до одиниць ватів. Диференціальний опір Rд = U / I в режимі стабілізації може бути від десятих часток Ома для низьковольтних більш потужних стабілітронів до 100 200 Ом для стабілітронів на більш високі напруги.
Низьковольтні стабілітрони невеликої потужності мають опір Rд, що дорівнює одиницям і десяткам Ом. Чим менше Rд, тим краще стабілізація. При ідеальної стабілізації було б Rд = 0. Оскільки Rд є опором змінному струму, його слід плутати зі статичним опором, тобто. опором постійному струму R0 = U/I. Опір R0 завжди у багато разів більший за Rд. Вплив температури оцінюється температурним коефіцієнтом напруги стабілізації ТКН, який є відносною зміною напруги Uст. при зміні температури на один градус, тобто:
Температурний коефіцієнт напруги може бути від 10 -5 до 10 -3 К -1. Значення Uст. і знак ТКН залежить від питомого опору основного напівпровідника. Стабілітрони на напруги до 6-7 виготовляються з кремнію з малим питомим опором, тобто. з великою концентрацією домішок. У цих стабілітронах n-p-перехід має малу товщину, в ньому діє поле з високою напруженістю та пробою відбувається головним чином за рахунок тунельного ефекту. У цьому ТКН виходить негативним. Якщо ж застосований кремній із меншою концентрацією домішок, то n-p-перехід буде товщим. Його пробою виникає при більш високих напругах і є лавинним. Для таких стабілітронів характерний позитивний ТКН.
Д
Для підвищення стабільності напруги може застосовуватися схема каскадного з'єднання стабілітронів (рис.1.3), в якій стабілітрон VD1 повинен мати вищу Uст., ніж стабілітрон VD2. Ефективність стабілізації напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації Кст., який показує скільки разів відносне зміна напруги на виході схеми стабілізації менше, ніж на вході. Для найпростішої схеми з рис. 1.4. можна написати:
де Е - напруга Uвх.
Майже напівпровідниковий стабілітрон може забезпечити Кст., рівний кільком десяткам. А при каскадному з'єднанні (рис.1.3) загальний коефіцієнт стабілізації дорівнює добутку коефіцієнтів стабілізації окремих ланок:
І вже при двох ланках сягає кількох сотень.
Недоліком схем стабілізації, що розглядаються, є значні втрати потужності в самому стабілітроні і на Rогр., в результаті чого сильно знижується К.П.Д. Втрати особливо великі у схемі каскадного з'єднання.
Якщо мають місце пульсації напруги на вході (Uвх = Е), то стабілітрон значно згладжує їх, т.к. стабілітрон має малий опір змінному струму. Воно зазвичай у багато разів менше Rогр., тому більшість напруги пульсацій поглинається в Rогр., але в стабілітроні і на навантаженні буде лише мала частина цієї напруги.
Рогр. служить для встановлення та підтримки правильного режиму стабілізації та є для кожної схеми цілком певною величиною. Зазвичай Rогр. розраховується для середньої точки Т характеристики стабілітрона:
де Еср. = Uвх. = 0,5 (Еmin + Еmax) - середня напруга джерела живлення;
Іср. = 0,5 (Imin + Imax) – середній струм стабілітрону;
Прилади:електропанель «Напівпровідники-мікросхеми»,блок живлення на 30В (БП-30), 2 електронні вимірювальні прилади DT-830В, стабілітрон КС 156А вбудований в панель, з'єднувальні дроти.
Підготовка до роботи:
Зібрати схему зі зняттям статичних характеристик транзистора.
Показати схему викладачеві чи лаборанту.
Паспортні дані стабілітрону КС156А:
Напруга стабілізації Uст. =10 mA: 5,04…5,6…6,16 B
Мінімальний струм стабілізації: 3 mA
Максимальний струм стабілізації: 55 mA
Потужність, що розсіюється при Т +50 0 С: 300 мВт
Порядок проведення лабораторної роботи.
1.Зібрати схему, показану на рис.1.5 і зняти пряму гілка ВАХ стабілітрона: Iпр= f(Uпр.).
Стабілітрон КС156А та опір номіналом 330 Ом входить до складу монтажної електричної панелі. Електронні вимірювальні прилади приєднуються до бокових гнізд-перехідників електропанелі. Далі відбувається приєднання гнізд-перехідників безпосередньо до вузлів схеми, зібраної безпосередньо на електропанелі. Гніздо приладу з позначенням "СОМ" є загальним проводом "-" або "земля", а середнє гніздо з позначенням "VΩmA" - сигнальним "+". Верхнє гніздо приладів DT-830В залишається непідключеним (позначення «10А»).
Налаштування приладів відбувається так: мікроамперметр (Р1) – перемикачем ставиться межа 200 m на полі «DCA» (зміна постійного струму); вольтметр (Р2) – перемикачем ставиться межа 20 на полі «DCV» (зміна постійної напруги).
Після вимірювання перемикачі приладів ставляться на поле «OFF» (вимкнено).
Нижче, у таблиці 1.1 та 1.2, перераховані Uвх. для трьох варіантів, для зняття відповідно прямої та зворотної ВАХ стабілітрона: