Расчет стабилитрона: Калькулятор параметрического стабилизатора напряжения

Это сильнолегированный PN-переход с обратным смещением, изготовленный из кремния или германия (или работающий в области пробоя). в точке Зенера), где избыточный ток ограничивается внешним сопротивлением, а также внутренней потерей мощности внутри диода. Кремний предпочтительнее германия из-за его сильноточных и высокотемпературных свойств. Другими словами, стабилитрон — это диод, который нормально работает в области пробоя (напомним, что из-за возможных недостатков выпрямительного диода его никогда специально не используют в области пробоя). Напряжение пробоя стабилитрона очень точно устанавливается путем контроля уровня легирования. Стабилитрон чаще всего применяется в схемах стабилизаторов напряжения. В таких цепях постоянное напряжение нагрузки практически остается постоянным, несмотря на колебания линейного напряжения или сопротивления нагрузки.

Эффект Зенера и лавинный эффект возникают во время пробоя диода. Хотя либо первый, либо второй эффект оказывается более доминирующим, доминирование любого из этих двух эффектов зависит от величины обратного напряжения. При обратном напряжении менее 5 вольт преобладающим становится эффект Зенера, а при напряжении выше 6 вольт – лавинный эффект. Оба эффекта находятся между 5 и 6 вольтами. Осторожно, первый называется стабилитроном, а второй известен как лавинный диод; однако вместе они оба широко известны как стабилитроны.

Пробой Зенера происходит при возникновении сильного электрического поля в области обеднения и при разрыве ковалентных связей вследствие действия этого поля из-за низкого обратного напряжения. Таким образом, образуется очень большое количество электронов и дырок, которые генерируют обратный ток насыщения (теперь известный как ток Зенера I _z ), величина которого регулируется или ограничивается внешним сопротивлением в цепи. Лавинный пробой происходит при очень высоких обратных напряжениях, когда термически генерируемые электроны образуют больше носителей в результате столкновения в результате приобретения подходящей энергии.

Мы знаем, что когда PN-переход имеет обратное смещение, наступает момент, когда переход разрушается, и обратный ток также увеличивается очень быстрыми темпами, значение которого ограничивается фиксированием внешнего сопротивления. в ряду соединений. Это критическое значение напряжения (при котором возникает данная ситуация) называется напряжением пробоя (V _BR ). После того, как произошел пробой, значение тока значительно увеличивается из-за дополнительного увеличения напряжения. В этот момент само соединение оказывает почти нулевое сопротивление.

Напряжение пробоя зависит от ширины области обеднения. Однако сама широта зависит от уровня легирования. Из-за увеличения обратного напряжения за пробой ответственны два механизма, или, другими словами, пробой происходит из-за следующих двух эффектов.

Пробой Зенера

Этот тип пробоя происходит в соединениях, которые сильно легированы, а их обедненные слои узки. Напряжение пробоя образует сильное электрическое поле (10 ⁸ в/м) параллельно этому узкому слою. Ковалентные связи разрываются из-за сильного поля и образуются электронно-дырочные пары (другими словами, это сильное поле вытягивает валентные электроны из их соответствующих оболочек). Теперь, если приложить дальнейшее небольшое увеличение обратного напряжения, следовательно, образуются большие носители тока. Это является причиной того, что сопротивление перехода в области пробоя очень мало и возникает большой обратный ток. Поскольку валентные электроны изолируются электрическим полем при эффекте Зенера, его также иногда называют эмиссией в сильном поле.

Этот тип пробоя происходит в слабо легированных переходах, когда его обедненные слои широкие, а его электронное поле не настолько сильно, чтобы мог сработать зенеровский пробой. Однако неосновные носители, движущиеся в поле, сталкиваются с атомами полупроводника в обедненной области. В результате столкновения с валентными электронами происходит разрыв ковалентных связей и образование электронно-дырочных пар. Электрическое поле еще больше увеличивает скорость этих вновь образованных заряженных носителей, из-за чего происходят дальнейшие столкновения, в результате чего образуется больше носителей заряда. Таким образом происходит выплеск носителей заряда, который называется лавиной. Благодаря этому обратное сопротивление перехода становится низким. Другими словами, когда диод смещен в обратном направлении, неосновные носители генерируют небольшой обратный ток в точке пробоя. Когда обратное напряжение диодов увеличивается до такой степени, что его значение превышает напряжение пробоя, энергия неосновных носителей становится настолько высокой, что валентные электроны отрываются от своих нормальных орбит. Эти изолированные электроны становятся свободными электронами, и другие валентные электроны также начинают образовывать свободные электроны за счет изоляции от своих орбит. Таким образом, за счет лавины свободных электронов генерируется большой обратный ток.

Состояние вышеупомянутых пробоев показано на рисунке 1.

Вольт-амперные характеристики стабилитрона показаны на рисунке 2. Его прямые характеристики такие же простые, как и у обычного перехода прямого смещения (рис. 1). Однако характерные точки его обратной характеристики следующие:0097 = минимальный ток для поддержания пробоя

I _{z. max} = максимальный ток Зенера, ограниченный максимальной рассеиваемой мощностью величина внешнего сопротивления в цепи), обратная характеристика стабилитрона вовсе не вертикальна. Однако мы игнорируем его и предполагаем, что его характеристики вертикальны. Другими словами, мы относимся к стабилитрону как к идеальному диоду, напряжение которого не меняется из-за пробоя. Это означает, что V _z остается постоянным, несмотря на увеличение значений I _z . На рисунке 3 (а) показана форма стабилитрона, на рисунке (б) маломощный диод и на рисунке (с) его эквивалентная схема. Символ стабилитрона, показанный на рисунке (а), очень похож на обычный диод, за исключением того, что концы двух линий, разделяющих катоды, изогнуты. Можно заметить, что символ катода стабилитрона похож на английский алфавит «Z». На рисунке 3 показан идеальный и практичный стабилитрон вместе с его эквивалентной схемой, в которой он выглядит как батарея V вольт.

Смещение стабилитрона

Для эффективной работы стабилитрона в любой цепи необходимо, чтобы

• Он был смещен в обратном направлении
• Он должен иметь большее напряжение по сравнению с напряжением пробоя Зенера (В _z )
• Следует закрепить на такой схеме, которая пропускает меньший ток по сравнению с I _z-max

Когда стабилитрон смещен в прямом направлении, из-за очень низкого прямого сопротивления он начинает проводить при напряжении 0,7 В (0,3 В в случае германия), как кремниевый диод, и его прямые токи увеличиваются слишком быстро. Когда он смещен в обратном направлении, очень небольшая утечка или обратный ток протекает через область утечки (область между нулем и пробоем) из-за большого обратного сопротивления. При дальнейшем увеличении его обратного смещения достигается точка, в которой (или определенное значение обратного напряжения) диод пробивается, благодаря чему обратный ток очень быстро возрастает. Этот ток обычно ограничивается вставкой сопротивления в ряд стабилитронов. Это увеличение обратного тока является почти вертикальным (как видно из характеристик V/I). Помните, что напряжение в области пробоя практически постоянно и его величина почти равна В _з .

Номинальное напряжение стабилитрона описывается относительно напряжения Зенера. Обычно доступны различные стабилитроны с стабилитронами. Широко распространены стабилитроны с стабилитронами или напряжениями пробоя от 1,8 до 200 В, предел допустимых отклонений их номиналов составляет 5—10%, а иногда и 20%. Однако его напряжения Зенера зависят от уровня легирования и температуры.

Потребляемая мощность стабилитрона равна произведению его напряжения на ток, т.е.

P _z = V _z . I _z

Пока отношение номинальной мощности стабилитрона меньше, чем P _z , он работает в области пробоя без какого-либо повреждения или выхода из строя. Номинальная мощность коммерчески доступных стабилитронов обычно находится в диапазоне от 50 Вт до 150 мВт. Обычно в техпаспорте, помимо напряжения пробоя (V _z ), максимальный ток также подается на стабилитрон, через который может проходить стабилитрон без увеличения его номинальной мощности. В даташитах также указана максимальная потребляемая мощность этих стабилитронов при определенной максимальной температуре, которая может быть завышена. Диод Зенера обычно напоминает обычный диод; однако он идентифицируется по его номеру IN, например. IN750 или IN4000. Мощность IN 750 составляет 10 Вт, а IN4000 — мощный диод.

В таблице 3.1 показаны номиналы стабилитронов или диодов регулятора напряжения в диапазоне от IN746 до IN 759.

Другим важным параметром стабилитрона является импеданс стабилитрона (Z _z ). Импеданс Зенера — это, по сути, динамическое сопротивление или импеданс стабилитронов (точно так же, как динамическое сопротивление обычного PN-диода). Обратный наклон кривой Зенера называется импедансом Зенера. Наклон кривой Зенера (V/I) равен ∆I/∆V, поскольку импеданс равен ∆V/∆I, следовательно, импеданс Зенера обратно пропорционален наклону)

Z _z = ∆V _z / ∆I _z = изменение напряжения стабилитрона/ изменение тока стабилитрона наклон (рисунок 4). Поскольку Z _z представляет собой наклонную кривую, ее наименьшее значение обычно имеет большее значение, особенно там, где требуется очень малое изменение напряжения при максимальном изменении тока. Однако это важное свойство стабилитрона при работе в области пробоя.

Стабилитроны широко используются в транзисторных схемах. Ниже приведены некоторые из этих применений:

1. Для регулирования напряжения
2. В качестве ограничителей пиковых значений или ограничителей напряжения
3. Избегание высокого напряжения для защиты счетчика
4. Для изменения формы сигнала
5. В качестве фиксированного эталонного напряжения для смещения и сравнения в любой сети, а также для калибровки напряжения

Измерение мощности источника постоянного напряжения, несмотря на изменения входного напряжения или тока нагрузки, называется регулированием тока по напряжению. Мы знаем, что наиболее важной функцией стабилизатора напряжения является постоянная подача выходного сигнала, несмотря на большие колебания тока нагрузки, и, поскольку в некоторых регуляторах напряжения применяется стабилитрон, он превосходно выполняет эту функцию в качестве регулятора. Поэтому диод Зенера иногда определяют как диод, который используется в качестве регулятора напряжения.

Помните, что обычный диод не может работать как стабилитрон, потому что обычные диоды работают в прямом направлении, тогда как стабилитрон установлен в цепи для работы в обратном направлении. Поскольку стабилитрон работает в области пробоя, напряжение источника Vin всегда должно превышать напряжение пробоя стабилитрона (V _z )

На рис. приходится регулировать. Стабилитрон установлен параллельно Vin. Он проводит, когда значение напряжения, параллельного диоду, больше по сравнению с V _z и через последовательное сопротивление Rs начинает протекать большой ток. Параллельно диоду установлено сопротивление нагрузки R _L , параллельно которому требуется постоянное напряжение V _out . Общий ток (I), проходящий через R _s , равен сумме тока диода (I _z ) и тока нагрузки (I _L ).

I= I _z + I _L

Помните, всегда и при любых условиях выходное напряжение (V _out ) всегда должно равняться напряжению Зенера V _Z , то есть V _OUT = V _Z

Следовательно, V _в = IR _S +V _OUT = IR _S +V _Z

(1). В первой ситуации предположим, что значение R фиксировано или постоянно, а значение напряжения питания (V _в ) немного увеличилось. Согласно закону Ома, ток в цепи имеет тенденцию к увеличению с увеличением напряжения питания. Таким образом, увеличение (V _в ) также увеличит падение, существующее параллельно последовательному сопротивлению (R _с ). Следовательно, (V _out ) остается постоянным. Наоборот, если напряжение питания (V _in ) уменьшается, то малый ток, проходящий через диод, и падение напряжения параллельно (R _s ) также уменьшаются, благодаря чему (V _out ) снова остается постоянным. Таким образом, при изменении (V _в ) меняются I и Rs, а (V _из ) или (V _z) остаются неизменными.

(2). В других ситуациях предположим, что (V _в ) фиксировано, однако ток, проходящий через стабилитрон (I _z ) варьируется. Когда ток нагрузки (I _L ) увеличивается, ток диода (I _z ) уменьшается. Таким образом, (I) и (R _s ) остаются фиксированными, а (V _out ) также совсем не меняется (т.е. на (V _out ) влияния нет). ) уменьшается, (R _s ) будет увеличиваться, так что падение (I) и (R _s ) остаются неизменными, поэтому (V out) не меняется, несмотря на уменьшение (IL), так как

В _из = В _в – IR _s = V _в – (I _z + I _L ) R _s

R _s = V _in – V _out / I _z + I _L = V _in – V _out / I

При максимальном значении тока диода (I

_L ) становится равным нулю. т. е.

R _с = V _в – V _изн / я _{з. max}

Пример

Предположим, что значение (V _в ) равно 30 вольтам, значение (V _z ) равно 12 вольтам, а значение последовательного сопротивления равно 1,8 кН.