Лекции по "Микроэлектронике"

 В стабилитронах  используется свойство незначительного  изменения обратного напряжения на p-n переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Участок 1-2 на рисунке 48,а является рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона. Основным параметром прибора является напряжение стабилизации U_ст, обычно сопровождаемое указанием тока I_ст, при котором оно измерено. На рис. 48,б этому соответствует U_{ст тест} при токе I_{ст тест}. Нередко этой точке соответствует минимальная температурная зависимость напряжения стабилизации. Точке 1 соответствует минимальный ток стабилитрона I_{ст. мин}, при котором наступает пробой и, собственно, с которой начинается стабилизация. Обычно эта величина составляет около 3 мА. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона I_{ст. мак}, достижение которого еще не приводит к тепловому пробою p-n перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина I_{ст.  мак}   может  быть от нескольких миллиампер до 1,5 А.

 

Рисунок 48- Вольтамперная характеристика полупроводникового

стабилитрона

 

Параметром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона:

r_д = (U₂ - U₁) / (I₂ - I₁) = DU_ст / DI_ст .   

Эта величина для низковольтных  стабилитронов находится в пределах 1–30 Ом, а для высоковольтных — 18–300 Ом [ ].

На указанных свойствах  стабилитрона строятся параметрические стабилизаторы напряжения. Типовая схема такого стабилизатора приведена на рисунке 42. Она состоит из добавочного сопротивления R1 и стабилитрона VD. Выходное напряжение U_вых на нагрузке R_н совпадает с напряжением стабилизации U_ст стабилитрона.

 

Рисунок 49 -  Параметрический стабилизатор

При проектирование стабилизатора могут быть заданы:

1) стабилизированное  напряжение U_ст = U_вых при номинальном сопротивлении нагрузки R_н;

2) значения тока нагрузки I_{н мин} и I_{н мак}

3) наибольшие относительные ожидаемые отклонения δ₊ и δ_– входного напряжения стабилизатора от его номинального значения U_{вх ном.}

Расчет строится на соотношениях следующих из законов Кирхгофа:

I = I_ст + I_н ;

U_вх = I*R_д + U_вых .

Отсюда для тока стабилитрона можно получить:

I_ст = (U_вх – U_вых) / R1 – U_вых / R_н .  

В условиях нормальной работы стабилизатора напряжение на нагрузке U_вых = U_ст изменяется незначительно, так что для простоты можно считать его постоянным. Тогда I_ст будет изменяться только от изменения U_вх и сопротивления нагрузки R_н.

Расчет стабилизатора  фактически сводится к определению  номинального значения входного напряжения U_вх и выбору сопротивления R1 так, чтобы при наихудших условиях ток через стабилитрон не становился меньше минимального и больше максимального:

I_{ст. мин}  ≤ I_ст ≤I_{ст. макс} .

Номинальное значение напряжения питания стабилизатора U_{вх ном} (обычно это напряжение выпрямителя) вычисляется по формуле:

 

.

 

Если знаменатель получается отрицательным, то необходимо уменьшить  пределы нестабильности входного напряжения или/и диапазон изменения тока нагрузки или использовать стабилитрон с большим I_{ст  мак}.

Сопротивление резистора R1 вычисляют по формуле:

 .

Максимальные мощности, рассеиваемые резистором и стабилитроном, рассчитывают по формулам:

;

P_{ст мак} = U_вых*I_{ст. мак} .

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации K_ст, показывающий во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения:

K_ст =δU_{вх /} δU_вых = (DU_вх / U_{вх ном}) _/ (DU_вых / U_{вых ном})

Если известно динамическое сопротивление стабилитрона, то коэффициент  стабилизации можно вычислить по формуле

 .

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора обычно не превышает 20 –50.

Параметры стабилизатора  можно улучшить, если для обеспечения  постоянства выходного напряжения включить между входным напряжением  и сопротивлением нагрузки какой-нибудь элемент с регулируемым сопротивлением. Устроенные таким образом стабилизаторы называют последовательными стабилизаторами.

Простейшим последовательным стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения, как это показано на рисунке 50,а.

 

 

Рисунок 50 - Последовательный стабилизатор напряжения

 

 

Из рисунка 50,а видно, что выходное напряжение U_вых определяется выражением:

U_вых = U_ст – U_бэ .

 

Следовательно, в этой схеме выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину падения напряжения на переходе база–эмиттер открытого транзистора (около 0,5 – 0,7 В). Из-за наличия отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление стабилизатора мало и может составлять доли Ом.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то на базу следует  подавать часть опорного напряжения, снимаемого с движка потенциометра. Сопротивление потенциометра обычно в (2 – 5) раз больше, чем R1.

 

Для повышения  качества стабилизации и расширения динамического диапазона регулирования выходного напряжения, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока, который играет, к тому же, роль обратной отрицательной связи. Одна из схем подобного стабилизатора приведена на рисунке 51. такие стабилизаторы называются компенсационными [  ].

Рисунок 51–  Схема компенсационного стабилизатора

 

Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (U_OC). Из рисунка видно, что U_OC=U_CТ+ U_ЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение U_{КЭ.МАКС} должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора (U_{ВХ.МАКС}), а максимально допустимый ток коллектора I_K.МАКС - быть больше предельного значения тока нагрузки.

Максимальная  мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по формуле:

Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально допустимой мощности транзистора Р_К.МАКС, приводимой в справочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор  с большим значением Р_К.МАКС.

Определив по справочнику  для выбранного транзистора VT1 минимальное  значение статического коэффициента передачи тока базы h_21E, рассчитывают максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:

Поскольку ток I_Б макс транзистора VT1 является током нагрузки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:

(U_{вх.макс}-U_ст.мин)/I_ст.мах ≤ R1 ≤ (U_вх.мин-U_ст.мин)/(I_ст.мин-I_Б.макс) 
Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:

R2=U_вых/I_н*(0,05...0,1)

Для нормальной работы стабилизатора  требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. –Л.:, «Энергия»,1970. -360 с.

2  Аринова Н.В.  Основы электроники: Рабочая программа, задания и методические указания к контрольным работам для студентов специальности 050716 «Приборостроение» заочной формы обучения. ВКГТУ. - Усть-Каменогорск, 2007. – 51с.

3 Бочаров Л.Н. и др. Расчет электронных устройств  на транзисторах / Бочаров Л.Н., Жебряков  С.К., Колесников И.Ф. – М.: Энергия, 1978. – 208с., ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 963).

4 Забродин Ю.С. Промышленная  электроника: Учебник для вузов.  – М.: Высш. Школа, 1982. – 496 с., ил.

5 Герасимов В.Г., Князев  О.М. и др. Основы промышленной  электроники. – М.: Высшая школа, 1986.

6 Матвеев………………………………

7 Шадрин Г.К. Основы электроники: Курсовая работа, задания, методические указания для  студентов специальности 050716 «Приборостроение» заочной формы обучения / Г.К. Шадрин, Н.В. Аринова / ВКГТУ.-Усть-Каменогорск,  2007. – 35 с.

8. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416  с.

9.  Цыкина..

10. Лавриненко В.Ю. Полупроводниковые приборы. Справочник. – Киев: Техника, 1984.

 

 

Приложение 1

 

Входная характеристика транзистора КТ315Б

 

 

 

.

Выходная характеристика транзистора КТ315Б.