Полупроводниковые аналоги стабилитронов

Стабилитроны (диоды Зенера, Z-диоды) предназначены для стабилизации напряжения, режимов работы различных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Принцип работы стабилитрона основан на явлении зенеровского пробоя п-р перехода. Этот вид электрического пробоя происходит в обратносмещенных полупроводниковых переходах при увеличении напряжения выше некоторой критической отметки. Помимо зенеровского пробоя известен и используется для стабилизации напряжения лавинный пробой. Типовые зависимости тока через полупроводниковый прибор (стабилитрон) от величины приложенного прямого или обратного напряжений (вольт-амперные характеристики, ВАХ) приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1.

Прямые ветви ВАХ различных стабилитронов практически совпадают (рис. 1.1), а обратная ветвь имеет индивидуальные особенности для каждого типа стабилитронов. Эти параметры: напряжение стабилизации; минимальный и максимальный ток стабилизации; угол наклона ВАХ, характеризующий величину динамического сопротивления стабилитрона (его «качество»);

максимальная мощность рассеяния; температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) — используют для расчетов схем.

Типовая схема включения стабилитрона показана на рис. 1.2. Значение гасящего сопротивления R1 (в кОм) вычисляют по формуле:

Рис. 1.2

Рис. 1.3

Для стабилизации напряжения переменного тока либо симметричного ограничения его амплитуды на уровне UCT используют симметричные стабилитроны (рис. 1.3), например типа КС 175. Такие стабилитроны можно использовать для стабилизации напряжения постоянного тока, включая их без соблюдения полярности. Получить «симметричный» стабилитрон можно из двух «несимметричных», включив их встречно по схеме, приведенной на рис. 1.4.

Выпускаемые промышленно полупроводниковые стабилитроны позволяют стабилизировать напряжение в широких пределах: от 3,3 до 180 В. Так, существуют стабилитроны, позволяющие стабилизировать низкие напряжения: 3,3; 3,9; 4,7; 5,6 В — это КС133, КС139, КС147, и т.д. При необходимости получить нестандартное напряжение стабилизации, например, 6,6 В, можно включить последовательно два стабилитрона КС133. Для трех таких стабилитронов напряжение стабилизации составит 9,9 В. Для напряжения стабилизации 8,0 В можно использовать сочетание стабилитронов КС133 и КС147 (т.е. 3,3+4,7 В) либо стабилитрон КС175 и кремниевый диод (КД503) — в прямом направлении (т.е. 7,5+0,5 В).

Рис. 1.4

Рис. 1.5

В ситуациях, когда требуется получить стабильное напряжение величиной менее 2...3 В, используют стабисторы — полупроводниковые диоды, работающие на прямой ветви ВАХ (рис. 1.1).

Отметим, что вместо стабисторов можно с успехом использовать обычные германиевые (Ge), кремниевые (Si), селеновые (Se), арсенид-галлиевые (GaAs) и иные полупроводниковые диоды (рис. 1.5). Напряжение стабилизации в зависимости от величины тока, протекающего через диод, составит: для германиевых диодов — 0,15...0,3 б; для кремниевых — 0,5...0,7 В.

Особенно интересно применение в целях стабилизации напряжения светоизлучающих диодов (рис. 1.6) [Р 11/83-40].

Светодиоды могут выполнять одновременно две функции: своим свечением индицировать наличие напряжения и стабилизировать его величину на уровне 1,5...2,2 В. Напряжение стабилизации светодиодов UCT можно определить по приближенной формуле: L/Cr=1236/Л. (В), где X — длина волны излучения светодиода в нм [Рл 4/98-32].

Рис. 1.6

Рис. 1.7

Рис. 1.8

Для стабилизации напряжения может быть использована обратная ветвь ВАХ полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов), специально для этих целей не предназначенных (рис. 1.7, 1.8, а также рис. 20.7). Это напряжение (напряжение лавинного пробоя) обычно превышает 7 б и не отличается высокой повторяемостью даже для полупроводниковых приборов одного типа. Для избежания теплового повреждения полупроводниковых приборов при столь необычном режиме их эксплуатации ток через них не должен превышать долей миллиампера. Так, для диодов Д219, Д220 напряжение пробоя (напряжение стабилизации) может находиться в пределах от 120 до 180 В [Р 9/74-62; Р 10/76-46; Р 12/89-65].

Для стабилизации малых напряжений используют схемы, представленные на рис. 1.9 — 1.12. В схеме (рис. 1.9) [Горошков Б.И.] использовано «диодное» параллельное включение двух кремниевых транзисторов. Напряжение стабилизации этой схемы равно 0,65...0,7 В для кремниевых транзисторов и около 0,3 В — для германиевых. Внутреннее сопротивление такого аналога стабистора не превышает 5... 10 Ом при коэффициенте стабилизации до 1000...5000. Однако при изменении температуры окружающей среды нестабильность выходного напряжения схемы составляет около 2 мВ на каждый градус.

Рис. 1.9

Рис. 1.10

Рис. 1.11

В схеме на рис. 1.10 [Р 6/69-60; ВРЯ 84-9] использовано последовательное включение германиевого и кремниевого транзисторов. Ток нагрузки этого аналога стабилитрона может составить 0,02... 10 мА. Устройства, показанные на рис. 1.11 и 1.12 [Рл 1/94-33], используют встречное включение транзисторов структуры р-п-р и п-р-п и различаются лишь тем, что для повышения выходного напряжения в одной из схем между базами транзисторов включен кремниевый диод (один или несколько). Ток стабилизации аналогов стабилитронов (рис. 1.11, 1.12) может быть в пределах 0,1...100 мА, дифференциальное сопротивление на рабочем участке ВАХ не превышает 15 Ом.

Рис. 1.12

Рис. 1.13

Рис. 1.14

Стабилизировать малые напряжения можно и с помощью полевых транзисторов (рис. 1.13, 1.14). Коэффициент стабилизации таких схем очень высок: для однотранзисторной схемы (рис. 1.13) достигает 300 при напряжении питания 5... 15 В, для двухтранзисторной (рис. 1.14) в тех же условиях превышает 1000 [Р 10/95-55]. Внутреннее сопротивление этих аналогов стабилитронов составляет, соответственно, 30 Ом и 5 Ом.

Стабилизатор напряжения можно получить с использовани ем в качестве стабилитрона аналога динистора (рис. 1.15, см также главу 2) [Горошков Б.И.].

Рис. 1.15

Рис. 1.16

Рис. 1.17

Для стабилизации напряжений при больших токах в нагрузке используют более сложные схемы, представленные на рис. 1.16 — 1.18 [Р 9/89-88, Р 12/89-65]. Для увеличения тока нагрузки необходимо использовать мощные транзисторы, установленные на теплоотводах.

Рис. 1.18

Рис. 1.19

Стабилизатор напряжения, работающий в широком диапазоне изменения питающего напряжения (от 4,5 до 18 6), и имеющий значение выходного напряжения, немногим отличающееся от нижней границы напряжения питания, показан на рис. 1.19 [Горошков Б.И.].

Рассмотренные ранее виды стабилитронов и их аналогов не позволяют плавно регулировать напряжение стабилизации. Для решения этой задачи используются схемы регулируемых параллельных стабилизаторов, аналогичных стабилитронам (рис. 1.20, 1.21).

Аналог стабилитрона (рис. 1.20) позволяет плавно изменять выходное напряжение в пределах от 2,1 до 20 В [Р 9/86-32]. Динамическое сопротивление такого «стабилитрона» при токе нагрузки до 5 мА составляет 20...50 Ом. Температурная стабильность низкая (-3x10"3 1/°С).

Низковольтный аналог стабилитрона (рис. 1.21) позволяет установить любое выходное напряжение в пределах от 1,3 до 5 В [F 3/73-122]. Напряжение стабилизации определяется соотношением резисторов R1 и R2. Выходное сопротивление такого параллельного стабилизатора при напряжении 3,8 В близко к 1 Ом. Выходной ток определяется параметрами выходного транзистора и для КТ315 может достигать 50... 100 мА.

Рис. 1.20

Рис. 1.21

Оригинальные схемы получения стабильного выходного напряжения приведены на рис. 1.22 и 1.23. Устройство (рис. 1.22) представляет собой аналог симметричного стабилитрона [Э 9/91]. Для низковольтного стабилизатора (рис. 1.23) коэффициент стабилизации напряжения равен 10, выходной ток не превышает 5 мА, а выходное сопротивление изменяется в пределах от 1 до 20 Ом [RFE 21/72].

Рис. 1.22

Рис. 1.23

Рис. 1.24

Аналог низковольтного стабилитрона дифференциального типа на рис. 1.24 обладает повышенной стабильностью [Р 6/69-60]. Его выходное напряжение мало зависит от температуры и определяется разностью напряжений стабилизации двух стабилитронов. Повышенная температурная стабильность объясняется тем, что при изменении температуры напряжение на обоих стабилитронах изменяется одновременно и в близкой пропорции.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год