25900 авторів і 91 редактор відповіли на 98952 питання,
розмістивши 129771 посилання на 81900 сайтів, приєднуйтесь!

Реклама партнерів:

Що таке стабілітрон?

РедагуватиУ обранеДрук

Напівпровідниковий стабілітрон, або діод Зенера - плоскостной кремнієвий напівпровідниковий діод, що працює при зворотному зміщенні в режимі пробою. До настання пробою через стабілітрон протікають незначні струми витоку, а його опір дуже високо. При настанні пробою струм через стабілітрон різко зростає, а його диференціальний опір падає до величини, що становить для різних приладів від часток Ома до сотень Ом. Тому в режимі пробою напруга на стабілітроні підтримується із заданою точністю в широкому діапазоні зворотних струмів.

Основне призначення стабилитронов - стабілізація напруги. Серійні стабілітрони виготовляються на напруги від 1,8 В до 400 В. Інтегральні стабілітрони з прихованою структурою на напругу близько 7 В є самими точними і стабільними твердотільними джерелами опорного напруги: кращі їх зразки наближаються за сукупністю показників до нормального елементу Вестона. Особливий тип стабилитронов, високовольтні лавинні діоди («подавители перехідних імпульсних перешкод», «суппрессори», «TVS-діоди») застосовуються для захисту електроапаратури від перенапруг.

Термінологія і класифікація

У російськомовній літературі поняття «стабілітрон» без уточнюючого «напівпровідниковий» застосовується саме до напівпровідникових стабілітронів. Уточнення необхідно, якщо потрібно протиставити стабілітрони напівпровідникові - застарілим газонаповненим стабілітронах тліючого і коронного розряду. Катодом стабилитрона позначається висновок, в який втікає зворотний струм (n-область обернено-зміщеного pn-переходу), анодом - висновок, з якого струм пробою випливає (p-область pn-переходу). Двуханодний (двосторонні) стабілітрони складаються з двох стабілітронів, включених послідовно у зустрічних напрямках, «катод до катода» або «анод до анода», що з точки зору користувача рівнозначно.

Напівпровідникові стабілітрони увійшли в промислову практику в другій половині 1950-х років. У минулому в номенклатурі стабилитронов виділялися функціональні групи, згодом втратили своє значення, а сучасні полупроводіковие стабілітрони класифікуються за функціональним призначенням на:

  • дискретні стабілітрони загального призначення - силові і малої потужності. У СРСР стабілітрони класифікувалися за розсіюється на чотири групи: 0-0,3 Вт, 0,3-5 Вт, 5-10 Вт і понад 10 Вт [5];
  • прецизійні стабілітрони, в тому числі термокомпенсірованний стабілітрони і стабілітрони з прихованою структурою;
  • подавители імпульсних перешкод («обмежувальні діоди», «суппрессори», «TVS-діоди»).

Назва «зенеровскій діод» (калька з англійського zener diode, на ім'я першовідкривача тунельного пробою Кларенса Зенера), згідно з ГОСТ 15133-77 «Прилади напівпровідникові. Терміни та визначення », в технічній літературі не допустимо. В англомовній літературі словом stabilitron або stabilotron називають стабілотрон - який не отримав широкого розповсюдження тип вакуумної генераторної лампи СВЧ-діапазону, а поняття zener або zener diode («зенеровскій діод») застосовується до стабілітронах всіх типів незалежно від того, який механізм пробою (зенеровскій або лавинний ) переважає в конкретному приладі. Англійське avalanche diode («лавинний діод») застосовується до будь диодам лавинного пробою, тоді як в російськомовній літературі лавинний діод, або «обмежувальний діод» по ГОСТ 15133-77 - вузько певний підклас стабилитрона з лавинним механізмом пробою, призначений для захисту електроапаратури від перенапруг . Обмежувальні діоди розраховані не на безперервне пропускання відносно малих струмів, а на короткострокове пропускання імпульсів струму силою в десятки і сотні А. Так звані «низьковольтні лавинні діоди» (англ. Low voltage avalanche, LVA), навпаки, призначені для роботи в непереривном режимі. Це малопотужні стабілітрони з незвичайно низьким диференціальним сопротівленіем- в промисловій практиці відмінність між ними і «звичайними» стабілітронами стерлося.

Деякі «прецизійні стабілітрони» несуть позначення, характерні для дискретних приладів, але насправді є складними інтегральними схемами. Внутрішніми джерелами опорного напруги таких мікросхем можуть служити і стабілітрони, і бандгапи. Наприклад, двохвивідною «прецизійний стабілітрон» 2С120 (аналог AD589) - це бандгап Брокау. На структурній схемі мікросхеми TL431 зображений стабілітрон, але насправді TL431 - це бандгап Відлар.

Не є стабілітронами лавинно-пролітні діоди, тунельні діоди і стабістори. Стабістори - це малопотужні діоди, призначені для роботи на прямому струмі в стабілізаторах напруги і як датчики температури. Характеристики стабисторов у зворотному включенні не нормувалися, а подача на стабистор зворотного зсуву допускалася тільки «при перехідних процесах включення і виключення апаратури». Звернені діоди в різних джерелах визначаються і як підклас стабилитронов, і як підклас тунельних діодів. Концентрація легуючих домішок в цих діодах настільки велика, що тунельний пробій виникає при нульовому зворотному напрузі. Через особливих фізичних властивостей і вузькій області застосування вони зазвичай розглядаються окремо від стабілітронів і позначаються на схемах особливим, відмінним від стабілітронів, символом.

Принцип дії

Напівпровідниковий стабілітрон - це площинний кремнієвий діод, призначений для роботи в режимі пробою на зворотної гілки вольт-амперної характеристики. У діоді, до якого прикладено зворотне, або замикає, напруга, можливі три механізми пробою: тунельний пробій, лавинний пробій і пробою внаслідок теплової нестійкості - катастрофічного саморазогрева струмами витоку. Тепловий пробій спостерігається в випрямних діодах, особливо германієвих, а для кремнієвих стабілітронів він не критичний. Стабілітрони проектуються і виготовляються таким чином, що або тунельний, або лавинний пробій, або обидва ці явища разом виникають задовго до того, як в кристалі діода виникнуть передумови до теплового пробою.

Першу модель електричного пробою запропонував в 1933 році Кларенс Зенера, в той час працював в Брістольському університеті. Його «Теорія Електричного пробою в твердих діелектриках» була опублікована влітку 1934 року. У 1954 році Кеннет Маккей з Bell Labs встановив, що запропонований Зенера тунельний механізм діє тільки при напружених пробою до приблизно 5,5 В, а при бо? Льшіх напружених переважає лавинний механізм. Напруга пробою стабілітрона визначається концентраціями акцепторів та донорів і профілем легування області pn-переходу. Чим вище концентрації домішок і чим більше їх градієнт в переході, тим більше напруженість електричного поля в області просторового заряду при рівному зворотній напрузі, і тим менше зворотна напруга, при якому виникає пробій:

Тунельний, або зенеровскій, пробій виникає в напівпровіднику тільки тоді, коли напруженість електричного поля в pn-переході досягає рівня в 106 В / см. Такі рівні напруженості можливі тільки в високолегованих діодах (структурах p + -n + -типу провідності) з напругою пробою не більше шестиразовій ширини забороненої зони (6 EG asymp- 6,7 В), при цьому в діапазоні від 4 EG до 6 EG (4,5 ... 6,7 В) тунельний пробій співіснує з лавинним, а при напрузі пробою менше 4 EG (asymp-4,5 В) повністю витісняє його. З ростом температури переходу ширина забороненої зони, а разом з нею і напруга пробою, зменшується: низьковольтні стабілітрони з переважанням тунельного пробою мають негативний температурний коефіцієнт напруги (ТКН).

У діодах з меншими рівнями легування, чи меншими градієнтами легуючих домішок, і, як наслідок, бо? Льшим напруженнями пробою спостерігається лавинний механізм пробою. Він виникає при концентраціях домішок, приблизно відповідних напрузі пробою в 4 EG (asymp-4,5 В), а при напружених пробою вище 4 EG (asymp-7,2 В) повністю витісняє тунельний механізм. Напруга, при якому виникає лавинний пробій, із зростанням температури зростає, а найбільша величина ТКН пробою спостерігається в низьколегованих, щодо високовольтних, переходах.

Механізм пробою конкретного зразка можна визначити грубо - по напрузі стабілізації, і точно - за знаком його температурного коефіцієнта. В «сірій зоні» (див. Малюнок), в якій конкурують обидва механізми пробою, ТКН може бути визначений тільки досвідченим шляхом. Джерела розходяться в точних оцінках ширини цієї зони: С. М. Зі вказує «від 4 EG до 6 EG» (4,5 ... 6,7 В), автори словника «Електроніка» - «від 5 до 7 В», Лінден Харрісон - «від 3 до 8 В», Ірвінг Готтліб проводить верхню межу за рівнем 10 В. Низьковольтні лавинні діоди (LVA) на напруги від 4 до 10 В - виняток з правила: у них діє тільки лавинний механізм.

Оптимальна сукупність характеристик стабилитрона досягається в середині «сірої зони», при напрузі стабілізації близько 6 В. Справа не стільки в тому, що завдяки взаємній компенсації ТКН тунельного і лавинного механізмів ці стабілітрони щодо термостабільним, а в тому, що вони мають найменший технологічний розкид напруги стабілізації і найменше, за інших рівних умов, диференційний опір. Найгірша сукупність характеристик - високий рівень шуму, великий розкид напружень стабілізації, висока диференціальне опір - властива низьковольтним стабілітронів на 3,3-4,7 В.

Виробництво

Силові стабілітрони виготовляють з монокристалічного кремнію по диффузионно-сплавний або планарної технології, малопотужні - за планарною, рідше меза-технології. У планарном диодном процесі використовується дві або три фотолитографии. Перша фотолітографія розкриває на поверхні захисного оксиду широкі вікна, в які потім вводиться легіруюча домішка. Залежно від необхідного профілю легування можуть застосовуватися процеси іонної імплантації, хімічне парофазного осадження і дифузія з газового середовища або з поверхневої плівки. Після первинного введення домішки її заганяють з поверхневого шару вглиб кристала при температурі 1100-1250 ° C. Потім проводять операцію гетерування - виштовхування поверхневих дефектів в глибину кристала і пасивацію його поверхні. Гетерування і пасивація не тільки знижують шум стабилитрона, але й радикально підвищують його надійність, усуваючи основну причину випадкових відмов - поверхневі дефекти. Друга фотолітографія розкриває вікна для нанесення першого, тонкого шару анодної металізації. Після неї, при необхідності, проводиться електронно-променеве осадження основного шару анодної металізації, третя фотолітографія та електронно-променеве осадження металу з боку катода.

Пластини перевозять на складальне виробництво і там ріжуть на окремі кристали. Збірка стабилитронов в транзисторних (SOT23, TO220 і т. П.) І мікросхемних (DIP, SOIC і т. П.) Корпусах виконується за звичайними технологіями корпусування. Масова збірка діодів, в тому числі стабилитронов, в двохвивідною корпусах з гнучкими висновками може виконуватися двома способами:

Діоди в пластикових корпусах (Surmetic) збираються в два етапи. Спочатку складальний автомат припаює кремнієвий кристал («таблетку») діода встик до розширеним торцях висновків. Висновки виготовляються з міді, а їх перетин порівняти з площею кремнієвої таблетки або перевищує її. Торці висновків формуються у формі капелюшки цвяха і зазвичай попередньо облужівают. Після пайки в складальному автоматі напівфабрикати упаковуються в герметичні пластикові циліндри.

Діоди в скляних корпусах DO-35 і DO-41 збираються в один етап. Між кремнієвої таблеткою і торцями гнучкого виведення з біметалічного дроту вкладаються дві порожнисті, облуженние біметалічні обойми. На зібрану заготовку з кристала, обойм та висновків одягається скляна трубочка - майбутній корпус. Збірка нагрівається в печі до температури плавлення скла-при охолодженні спочатку твердне скло, формуючи герметичний спай з металом висновків, а потім - припій.

У більш дорогому варіанті цієї технології використовуються три етапи термообробки: кристал спаивается з молібденовими або вольфрамовими обоймами при температурах не менше 700 ° С, капсуліруется в скло, і тільки потім припаиваются висновки. У всіх випадках висновки додатково облужівают після корпусування. Мідні висновки переважно, оскільки відводять тепло краще, ніж біметалеві. Присутність всередині корпусу, по обидві сторони тонкої кремнієвої таблетки, значної маси припою визначає основний механізм відмови стабилитронов: коротке замикання розплавом припою, а в планарних інтегральних стабілітронах - коротке замикання розплавом алюмінієвої металізації.

Області застосування

Основна область застосування стабілітрона - стабілізація постійної напруги джерел живлення. У найпростішій схемі лінійного параметричного стабілізатора стабілітрон виступає одночасно і джерелом опорного напруги, і силовим регулюючим елементом. У більш складних схемах стабілітрону відводиться тільки функція джерела опорного напруги, а регулюючим елементом служить зовнішній силовий транзистор.

Прецизійні термокомпенсірованний стабілітрони і стабілітрони з прихованою структурою широко застосовуються як дискретних та інтегральних джерел опорної напруги (ДОН), у тому числі в найбільш вимогливих до стабільності напруги схемах вимірювальних аналого-цифрових перетворювачів. C середини 1970-х років і донині (2012 рік) стабілітрони з прихованою структурою є найбільш точними і стабільними твердотільними ІОН. Точнісні показники лабораторних еталонів напруги на спеціально відібраних інтегральних стабілітронах наближаються до показників нормального елемента Вестона.

Особливі імпульсні лавинні стабілітрони («подавители перехідних імпульсних перешкод», «суппрессори», «TVS-діоди») застосовуються для захисту електроапаратури від перенапруг, що викликаються розрядами блискавок і статичної електрики, а також від викидів напруги на індуктивних навантаженнях. Такі прилади номінальною потужністю 1 Вт витримують імпульси струму в десятки і сотні ампер набагато краще, ніж «звичайні» пятідесятіваттние силові стабілітрони. Для захисту входів електровимірювальних приладів і затворів польових транзисторів використовуються звичайні малопотужні стабілітрони. У сучасних «розумних» МДП-транзисторах захисні стабілітрони виконуються на одному кристалі з силовим транзистором.

У минулому стабілітрони виконували і інші завдання, які згодом втратили колишнє значення:

Обмеження, формування, амплітудна селекція і детектування імпульсів. Ще в епоху електронних ламп кремнієві стабілітрони широко застосовувалися для обмеження розмаху імпульсів і перетворення сигналів довільної форми в імпульси заданої полярності. З розвитком інтегральних технологій цю функцію взяли на себе пристрої на швидкодіючих компараторах, а потім цифрові процесори обробки сигналів.

Стабілізація напруги змінного струму також зводилася до обмеження розмаху синусоїдальноїнапруги двостороннім стабілітроном. При зміні вхідного напрузі амплітуда вихідної напруги підтримувалася постійною, а його діюче значення лише незначно відставало від діючого значення вхідної напруги.

Завдання напруг спрацьовування реле. При необхідності встановити нестандартний поріг спрацьовування реле послідовно з його обмоткою включали стабілітрон, доводивший поріг спрацьовування до необхідного значення. З розвитком напівпровідникових переключательних схем сфера застосування реле звузилася, а функцію управління реле взяли на себе транзисторні та інтегральні порогові схеми.

Завдання робочих точок каскадів. У лампових підсилювачах 1960-х років стабілітрони використовувалися як заміна RC-ланцюжків автоматичного зсуву. На нижніх частотах звукового діапазону і на інфразвукових частотах розрахункові ємності конденсаторів таких ланцюгів ставали неприйнятно великі, тому стабілітрон став економічною альтернативою дорогому конденсатору.

Межкаскадная зрушення рівнів. Зрушення рівнів в лампових підсилювачах постійного струму зазвичай здійснювався за допомогою газонаповнених стабилитронов або звичайних неонових ламп. C винаходом напівпровідникових стабілітронів вони стали застосовуватися замість газонаповнених. Аналогічні рішення застосовувалися і в транзисторной апаратурі, але були швидко витіснені більш досконалими схемами зсуву рівнів на транзисторах.

Стабілітрони з високим ТКН використовувалися як датчики температури в мостових вимірювальних схемах. У міру зниження напруг живлення і споживаних потужностей цю функцію взяли на себе прямо зміщені діоди, транзисторні PTAT-ланцюга і інтегральні схеми на їх основі.

У середовищі моделювання SPICE модель елементарного стабилитрона використовується не тільки за прямим призначенням, але і для опису режиму пробою в моделях «реальних» біполярних транзисторів. Стандартна для SPICE модель транзистора Еберса-Молла режим пробою не розглядає.

Основні характеристики стабілітрона


Струми і напруги стабілізації

ГОСТ 25529-82 «Діоди напівпровідникові. Терміни, визначення та буквені позначення параметрів »визначає струм стабілізації (Iст) і напруга стабілізації (Uст) стабилитрона як значення постійних напруг і струмів в режимі стабілізації [49]. Режим стабілізації можливий у досить широкій області струмів і напруг, тому в технічній документації вказуються допустимі мінімальні і максимальні значення (IСТ.МАКС, Uст.макс) струмів (IСТ.МИН, IСТ.МАКС) і напружень (Uст.мін, Uст.макс ) стабілізації. Усередині цих діапазонів лежать вибрані виробником номінальні значення Iст і Uст. Мінімальний струм стабілізації зазвичай прирівнюється до струму на виході із зони перелому зворотного ВАХ, максимальний обмежений допустимої розсіюваною потужністю, а номінальний струм зазвичай встановлюється на рівні від 25 до 35% від максимального. Мінімальні струми низьковольтних лавинних діодів вимірюються одиницями і десятками мікроампер, мінімальні струми «звичайних» стабилитронов - одиницями міліампер.

Наприклад, номінальна напруга радянського стабилитрона 2С133В, як випливає з його позначення, так само 3,3 В, а номінальний струм стабілізації - струм, при якому вимірюються його паспортні характеристики - дорівнює 5 мА. Мінімальний струм стабілізації для всіх робочих температур (-60 ... + 125 ° С) встановлений на рівні 1 мА, максимальний - залежить від температури та атмосферного тиску. При нормальному атмосферному тиску і температурі, що не перевищує + 35 ° С, струм не повинен перевищувати 37,5 мА, а при температурі + 125 ° С - 15 мА. При зниженні тиску до 665 Па (5 мм рт.ст, або 1/150 нормального атмосферного тиску) максимальні струми знижуються вдвічі через гіршого тепловідводу в розрідженому середовищі. Паспортний розкид напруги стабілізації (Uст.мін ... Uст.макс) цього приладу нормується для струму 5 мА і чотирьох різних температур від -60 ° С до + 125 ° С. При -60 ° С розкид напруг становить 3,1 ... 3,8 В, при + 125 ° С - 2,8 ... 3,5 В.

Диференціальний опір

Залежність диференціального опору стабилитронов одного сімейства (Motorola, 1970-ті роки) від напруги стабілізації та струму стабілізації.

Диференціальне, або динамічний опір стабілітрона дорівнює відношенню приросту напруги стабілізації до приросту струму стабілізації в точці з заданим (зазвичай номінальним) струмом стабілізації. Воно визначає нестабільність приладу по напрузі харчування (по входу) і по струму навантаження (по виходу). Для зменшення нестабільності по входу стабілітрони живляться від джерел постійного струму, для зменшення нестабільності по виходу - включають між стабілітроном і навантаженням буферний підсилювач постійного струму на емітерний повторителе або операційному підсилювачі, або застосовують схему складеного стабилитрона. Теоретично, диференційний опір стабілітрона зменшується зі зростанням струму стабілізації. Це правило, сформульоване для умови постійної температури pn-переходу, на практиці діє тільки в області малих струмів стабілізації. При бо? Льшіх токах неминучий розігрів кристала призводить до зростання диференціального опору, і як наслідок - до збільшення нестабільності стабілізатора.

Для малопотужного стабилитрона 2С133В диференційний опір при мінімальному струмі стабілізації 1 мА одно 680 Ом, а при номінальному струмі в 5 мА і температурах від -60 до + 125 ° С не перевищує 150 Ом воно не перевищує 150 Ом. Стабілітрони бо? Льшей потужності на той же номінальну напругу мають менше диференціальний опір, наприклад, КС433А - 25 Ом при 30 мА. Диференціальний опір низьковольтних лавинних діодів (LVA) приблизно на порядок нижче, ніж в «звичайних» стабілітронах: наприклад, для LVA351 (напруга 5,1 В, потужність 400 мВт) воно не перевищує 10 Ом при струмі 10 мА. Усередині кожного сімейства стабилитронов (однієї і тієї ж максимальної потужності) найменші абсолютні значення диференціального опору при заданому струмі мають стабілітрони на напругу 6 В.

Температурний коефіцієнт напруги

Точка нульового ТКН в стабілітроні з нормально позитивним ТКН (ITK0 < Iст.ном.)

ГОСТ визначає температурний коефіцієнт напруги як «відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютного зміни температури навколишнього середовища» при заданому постійному струмі стабілізації. ТКН звичайних, не термокомпенсірованний діодів, при їх номінальних токах становить для стабілітронів тунельного пробою (Uст<4 Eg) от -0,05 до -0,1 %/°C, а для стабилитронов лавинного пробоя (Uст<4 Eg) - от 0,05 до 0,1 %/°C. Иными словами, при нагреве стабилитрона от +25° С до +125° С сдвиг напряжения стабилизации составит от 5 до 10 % начального значения.

В області малих і середніх струмів на вольт-амперних характеристиках стабилитронов на напругу 4,5 ... 6,5 В можна знайти точку (значення струму ITK0 і напруги UTK0), в якій температурний коефіцієнт близький до нуля. Якщо стабілізувати струм такого стабілітрона зовнішнім джерелом струму на рівні, точно рівному ITK0, то напруга на стабілітроні, рівне UTK0 практично не залежить від температури. Такий підхід застосовується в інтегральних стабілітронах джерелах опорного напруги, але не застосуємо до пристроїв на дискретних стабілітронах. Точне значення ITK0 можна визначити тільки досвідченим шляхом, що в умовах серійного виробництва неприйнятно. Стабілітрони на напругу менше 4,5 В також мають точку нульового ТКН, але вона знаходиться за межами області безпечної роботи. Стабілітрони на напругу понад 6,5 В мають позитивний (ненульовий) ТКН у всьому діапазоні струмів.

Дрейф і шум

У довідковій документації на звичайні, не прецизійні, стабілітрони показники дрейфу і шуму зазвичай не вказуються. Для прецизійних стабілітронів це, навпаки, найважливіші показники нарівні з початковим розкидом і ТКН. Високий рівень шуму звичайних стабілітронів обумовлений високою концентрацією сторонніх домішок і дефектів кристалічної решітки в області pn-переходу. Захисна пассивация оксидом або склом, при якій ці домішки виштовхуються з приповерхневих шарів в товщу кристала, знижує шуми лише частково. Радикальний спосіб зниження шуму - виштовхування вглиб кристали не домішок, а самого pn-переходу - застосовується в малошумящих стабілітронах з прихованою структурою. Кращі зразки таких приладів мають розмах низькочастотних (0,1-10 Гц) шумів не більше 3 мкВ при тривалому дрейфі не більше 6 мкВ за перші 1000 годин експлуатації.

Найбільший рівень шумів стабилитрона спостерігається в області перелому вольт-амперної характеристики. Інструментально зняті криві високого дозволу показують, що ВАХ перелому мають не гладкий, а ступінчастий характер-випадкові зрушення цих ступенів і випадкові переходи струму з рівня на рівень породжують так званий шум мікроплазми. Цей шум має спектр, близький білому шуму в смузі частот 0-200 кГц. При переході з області перелому ВАХ в область струмів стабілізації рівень цих шумів різко знижується.

Динамічні характеристики

Частота перемикання стабилитрона загального призначення зазвичай не перевищує 100 кГц. Пробій не відбувається миттєво, а час спрацьовування залежить як від переважаючого механізму пробою, так і від конструкції стабилитрона. Під час цього процесу напруга на стабілітроні може перевищувати його номінальне значення стабілізації. Частотний діапазон переключательних схем на стабілітронах можна розширити, включивши послідовно зі стабілітроном швидкий імпульсний діод. При зменшенні напруги на ланцюжку стабілітрон-діод діод закривається першим, перешкоджаючи розрядці ємності стабилитрона. Заряд на цій ємності досить довго підтримує на стабілітроні напруга стабілізації, тобто стабілітрон ніколи не закривається.

Область безпечної роботи

«Історія показала, що головною причиною виходу діодів з ладу є перевищення допустимих електричних і теплових навантажень.»

Область безпечної роботи стабілітрона обмежена низкою параметрів, найважливішими з яких є максимальні значення постійного струму, імпульсного струму, температури pn-переходу (+150 ° С для корпусу SOT-23, +175 ° С для корпусу DO-35, +200 ° С для корпусу DO-41) і розсіюється. Всі ці обмеження повинні виконуватися одночасно, а недотримання хоча б одного з них веде до руйнування стабилитрона.

Обмеження по струму і потужності очевидні, а обмеження по температурі вимагає оцінки допустимої потужності, при якій розрахункова температура pn-переходу не перевищить максимально допустимої. У технічній документації така оцінка зазвичай наводиться у формі графіка залежності допустимої потужності P від температури навколишнього середовища Ta. Якщо такого графіка немає, слід оцінити допустиму потужність за формулою для температури переходу Tj:



,

де Rja - тепловий опір між pn-переходом і навколишнім середовищем (повітрям) для безперервно розсіюється. Типове значення цього показника малопотужного стабилитрона, наприклад, серії NZX, дорівнює 380 ° С / Вт. Потужність, при якій розрахункова температура не буде перевищувати встановленої межі в +175 ° С, обмежена величиною

Для очікуваної температури навколишнього середовища +50 ° С розрахункова потужність складає всього 330 мВт - в півтора рази менше паспортного максимуму потужності в 500 мВт.

Характер і причини відмов

Катастрофічне коротке замикання може бути викликане не тільки виходом за межі області безпечної роботи, а й повільної дифузією атомів легуючої домішки в pn-переході. У силових стабілітронах з пружинним кріплення одного з висновків до кристалу спостерігаються механічні пошкодження кристала в зоні контакту з пружиною. Якщо тріщина або потертість кристала досягає зони pn-переходу, то можливо як катастрофічний, так і переміжне, «блукаюче» коротке замикання, а також стабільне зменшення напруги стабілізації.

Старіння стабилитронов може проявлятися у вигляді підвищеного дрейфу струмів, напруг і диференціального опору. Дрейф струму при тривалій експлуатації пояснюється накопиченням забруднюючих домішок в зоні pn-переходу, в шарі захисного оксиду і на його поверхні. Дрейф струму при випробуваннях при високою вологістю пояснюється негерметичністю корпусу стабілітрона. Дрейф вихідного опору, зазвичай супроводжується підвищеним рівнем шуму, пов'язаний з погіршенням електричного контакту між кристалом і висновками.

Прецизійні стабілітрони

Термокомпенсірованний стабилитрон

Термокомпенсірованний стабілітрон - ланцюжок з послідовно з'єднаного стабилитрона на номінальну напругу близько 5,6 В і прямосмещённого діода - увійшов у практику розробників наприкінці 1960-х років. До 2000-м рокам дискретні термокомпенсірованний стабілітрони були витесенени інтегральними джерелами опорного напруги, що забезпечили кращі показники точності і стабільності при менших струмах і напругах живлення.

В околиці напруги 5,6 В лавинний механізм пробою переважає над тунельним, але не пригнічує його, а його температурний коефіцієнт має стабільне позитивне значення близько +2 мВ / ° C. ТКН діода в прямому включенні при нормальних робочих температурах і токах дорівнює приблизно -2 мВ / ° C. При послідовному з'єднанні стабилитрона і діода їх температурні коефіцієнти взаємно компенсуються: абсолютна нестабільність по температурі такого ланцюжка може становити всього 5 мВ в діапазоні -55 ... + 100 ° C або 2 мВ в діапазоні 0 ... + 75 ° C. Нормований ТКН таких приладів може складати всього лише 0,0005% / ° C, або 5 ppm / ° C. Діодом термокомпенсірованний стабилитрона може служити другий стабілітрон, включений у зустрічному напрямку. Такі симетричні двуханодний прилади, що допускають роботу при будь полярності напруги, зазвичай оптимізовані для роботи на номінальному струмі 10 мА, або для струму, типового для даного сімейства стабилитронов (7,5 мА для двоханодного 1N822 зі стандартної серії 1N821-1N829 [78]). Якщо ж діодом термокомпенсірованого стабилитрона служить не стабілітрон, а «простий» діод з ненормованим напругою пробою, то експлуатація приладу на прямий галузі вольт-амперної характеристики, як правило, не допускається.

Номінальна напруга стабілізації типового термокомпенсірованний стабилитрона становить 6,2 або 6,4 В при розкиді в ± 5% (в особливих серіях ± 2% або% ± 1%). У зарубіжній номенклатурі найбільш поширені три шестивольт серії на номінальні струми 7,5 мА (1N821-1N829), 1,0 мА (1N4565-1N4569) і 0,5 мА (1N4565-1N4569) [80]. Номінальні струми цих серій відповідають току нульового ТКН. При менших струмах ТКН негативний, при бо? Льшіх - позитивний. Диференціальний опір приладів на 7,5 мА становить не більше 10 ... 15 Ом, приладів на 0,5 мА - не більше 200 Ом [81]. У CCCР випускалася широка лінійка термокомпенсірованний приладів на номінальні напруги до 96 В, наприклад, в серії Д818 на Uст.ном. = 9,0 В використовувалися один стабілітрон і три діода. У технічній документації на ці особливості внутрішньої структури зазвичай не розкриваються: термокомпенсірованний стабілітрони перераховуються в довідниках нарівні зі звичайними або виділяються в окремий підклас «прецизійних стабілітронів». На принципових схемах вони позначаються тим же символом, що і звичайні стабілітрони.

Стабілітрон з прихованою структурою

Поперечний розріз стабилитрона з прихованою структурою. Стрілка - шлях струму пробою. Співвідношення вертикального і горизонтального масштабу і товщини шарів - умовні.

Струм пробою звичайного планарного стабилитрона зосереджений в приповерхневому шарі кремнію - в шарі з максимальною концентрацією дефектів кристалічної решітки і сторонніх домішок. Саме ці домішки і дефекти і обумовлюють нестабільність і шум стабилитрона. Поліпшити його показники можна, якщо «загнати» ток пробою вглиб кристала, в приховану структуру pn-переходу з меншим, ніж у приповерхневому шарі, напругою пробою. У класичній епітаксіальної технології на місці майбутнього стабилитрона формується глибокий острівець p + -типу провідності, а потім проводиться звичайні дифузії базового (p-) і емітерного (n +) шарів. Емітер створеної диодной структури стає катодом стабілітрона, база - анодом. У приповерхневому шарі цей перехід має профіль провідності n + -p-, а на дні базової області - n + -p +. Високолегований n + -p + перехід має менше, ніж в приповерхневому n + -p - шарі, напруга пробою, тому весь зворотний струм стабілітрона саме на дні базової області.

Перша інтегральна схема на стабілітронах з прихованим шаром, LM199, була випущена в 1976 році, а абсолютний рекорд за сукупністю точностних характеристик належить випущеної в 1987 році LTZ1000. Спеціально відібрані LTZ1000 використовуються в найбільш точних твердотільних стандартах напруги компанії Fluke, яка декларує тимчасову нестабільність в 1 ppm / рік і ТКН в 0,1 ppm / ° C. LM199, LTZ1000 та їх аналоги мають характерну концентричну топологію. У центрі кристала розташований стабілітрон, безпосередньо до нього примикають транзистори - датчики температури, а навколо них «покладена» спіраль підігрівача, також виконана за планарною технології. Зовнішній або вбудований терморегулятор підтримує стабільно високу температуру кристала. Такі ІС мають рекордно низькі показники ТКН (LM199 - 0,3 ppm / ° C, LTZ1000 - 0,05 ppm / ° C), шуму (LTZ1000 - 1,2 мкв пік-пік) і тривалого дрейфу (LTZ1000 - 2 мкВ / 1000ч). Заявлені показники досягаються тільки при ретельному Термостатування і екранування схеми і жорсткої стабілізації струму стабілітрона.

Схеми включення стабілітрона

Базова схема паралельного стабілізатора

Базова схема і три найгірших випадку її роботи: коротке замикання, обрив навантаження і зрив стабілізації

Найпростіший паралельний стабілізатор складається з баластного резистора, включеного послідовно між джерелом живлення і навантаженням, і стабілітрона, шунтирующего навантаження на загальний провід («на землю»). Різниця між напругою живлення і напругою пробою стабілітрона падає на баластному резисторі, а протікає через нього струм живлення розгалужується на струм навантаження і струм стабілітрона. Стабілізатори такого роду називаються параметричними: вони стабілізують напругу за рахунок нелінійності вольт-амперної характеристики стабілітрона, і не використовують ланцюга зворотного зв'язку.

Розрахунок параметричного стабілізатора на напівпровідникових стабілітронах аналогічний розрахунку стабілізатора на газонаповнених приладів, з однією істотною відмінністю: газонаповненим стабілітронах властивий гистерезис порогового напруги. При ємнісний навантаження газонаповнений стабілітрон самовозбуждается, тому конструкції таких стабілізаторів зазвичай не містять ємнісних фільтрів, а конструктору не потрібно враховувати перехідні процеси в цих фільтрах. В стабілізаторах на напівпровідникових стабілітронах гистерезис відсутня, фільтруючі конденсатори підключаються безпосередньо до висновків стабілітрона і навантаження - як наслідок, конструктор зобов'язаний враховувати кидки струму заряду (розряду) цих ємностей при включенні (виключенні) харчування. Найгіршими випадками, при яких імовірний вихід з ладу елементів стабілізатора або зрив стабілізації, є:

Подача на вхід стабілізатора максимально можливої напруги харчування при короткому замиканні виходу стабілізатора на загальний провід - наприклад, на час зарядки розрядженого конденсатора, підключеного безпосередньо до виходу стабілізатора, або при катастрофічному відмову стабилитрона. Допустима потужність розсіювання баластного резистора повинна бути достатньою, щоб витримати подібне замикання. В іншому випадку ймовірно руйнування баластного резистора.

Подача на вхід стабілізатора максимально можливої напруги живлення при відключенні навантаження від виходу стабілізатора. Допустимий струм стабілітрона повинен перевищувати розрахунковий струм через баластний резистор, який визначається за законом Ома. В іншому випадку при розігріві кристала стабілітрона понад +175 ° С стабілітрон руйнується. Дотримання паспортної області безпечної роботи так само важливо для стабілітронів, як і для транзисторів.

Відбір навантаженням максимально можливого струму при подачі на вхід стабілізатора мінімально можливого напруги живлення. Опір баластного резистора повинно бути досить мало, щоб і в цих умовах струм через резистор перевищував струм навантаження на величину, рівну мінімально допустимому току стабилитрона. В іншому випадку струм стабілітрона переривається, стабілізація припиняється.

На практиці часто виявляється, що дотримати всі три умови неможливо як з міркувань собівартості компонентів, так і через обмежений діапазону робочих струмів стабілітрона. В першу чергу можна поступитися умовою захисту від короткого замикання, довіривши її плавких запобіжників або тиристорним схемами захисту, або покластися на внутрішній опір джерела живлення, яка не позводіт йому видати і максимальна напруга, і максимальний струм одночасно.

Послідовне і паралельне включення

У документації на стабілітрони іноземного виробництва можливість їх послідовного або паралельного включення зазвичай не розглядається. У документації на радянські стабілітрони зустрічаються два формулювання:

для приладів малої та середньої потужності «допускається послідовне або паралельне з'єднання будь-якого числа стабилитронов» [однієї серії];

для приладів середньої та великої потужності «допускається послідовне з'єднання будь-якого числа стабилитронов [однієї серії]. Паралельне з'єднання допускається за умови, що сумарна розсіює потужність на всіх паралельно включених стабілітронах не перевищує максимально допустимої потужності для одного стабілітрона ».

Послідовне з'єднання стабілітронів різних серій можливо за умови, що робітники струми послідовної ланцюжка укладаються в паспортні діапазони струмів стабілізації кожної використаної серії. Шунтировать стабілітрони високоомними вирівнюючими резисторами так, як це робиться в випрямних стовпах, не потрібно. «Будь-яке число» послідовно з'єднаних стабілітронів можливо, але на практиці обмежена технічними умовами на електробезпека високовольтних пристроїв. При дотриманні цих умов, при підборі стабилитронов по ТКН і їх термостатування можлива побудова прецизійних високовольтних еталонів напруги. Наприклад, в 1990-і роки кращі в світі показники стабільності мав стабілітрони еталон на 1 мільйон В, побудований російською компанією «Мегавольт-Метрологія» на замовлення канадського енергетичного інституту IREQ [fr]. Основна похибка цієї установки не перевищувала 20 ppm, а нестабільність по температурі - не більше 2,5 ppm у всьому робочому діапазоні температур.

Складовою стабилитрон

Складовою стабілітрон (ліворуч) і двосторонній («двуханодний») варіант цієї схеми

Якщо схема вимагає знімати зі стабілітрона бо? Льшие струми і потужності, ніж це допустимо за технічними умовами, то між стабілітроном і навантаженням включають буферний підсилювач постійного струму. У схемі «складеного стабилитрона» колекторний перехід єдиного транзистора, що підсилює струм, включений паралельно стабілітрону, а емітерний перехід - послідовно зі стабілітроном. Опір, що задає зсув транзистора, вибирається таким чином, щоб транзистор плавно окривается при струмі стабілітрона, приблизно рівному його номінального струму стабілізації. Наприклад, при Iст.ном. = 5 мА і Uбе.мін. = 500 мВ опір R = 500 мВ / 5 мA = 100 Ом, а напруга на «складеному стабілітроні» дорівнює сумі Uст.ном. і Uбе.мін .. При бо? льшіх токах тразістор відкривається і шунтує стабілітрон, а струм стабілітрона приростає незначно - на величину, рівну току бази транзистора, тому в першому наближенні диференційний опір схеми зменшується в beta- раз (beta- - коефіцієнт посилення транзистора по струму). ТКН схеми дорівнює сумі алгебри ТКН стабілітрона при Iст.ном. і ТКН прямо зміщеного діода (приблизно -2 мВ / ° C), а її область безпечної роботи на практиці обмежена ОБР застосовуваного транзистора.

Схема складеного стабилитрона не призначена для роботи на «прямому струмі», але легко перетворюється в двосторонню («двуханодний стабілітрон») за допомогою діодного моста.

Базова схема послідовного стабілізатора

Найпростіша схема послідовного стабілізатора і приклад її практичного втілення

Найпростіша схема послідовного стабілізатора також містить тільки стабілітрон, транзистор і баластні опір, але транзистор в ній включений за схемою із загальним колектором (емітерний повторювачем). Температурний коефіцієнт такого стабілізатора дорівнює алгебраїчній різниці Uст.ном. стабилитрона і Uбе.мін. транзістора- для нейтралізації впливу Uбе.мін. в практичних схемах послідовно зі стабілітроном включають прямо включений діод VD2 [97]. Мінімальне падіння напруги регулюючому транзисторі можна знизити, замінивши баластний резистор на транзисторний джерело струму.

Множення напруги стабілізації

Схема паралельного стабілізатора на +200 В, 0 ... 25 мА з множенням напруги низьковольтного стабілітрона. Взаємозамінні варіанти з npn- і з pnp-транзистором

Для стабілізації напруги, що перевершує максимальну напругу типових малогабаритних стабилитронов, можна зібрати складовою «високовольтний стабілітрон», наприклад, набрати напруга 200 В з послідовно з'єднаних стабілітронів на 90, 90 і 20 В. Однак напруга шумів і нестабільність такої схеми можуть виявитися неприйнятно високі, а фільтрація шуму високовольтної ланцюжка потребують дорогих, потужних конденсаторів. Істотно кращі характеристики має схема з множенням напруги єдиного малошумящего низьковольтного стабілітрона на напругу 5 ... 7 В. У цій схемі, також як і в звичайному термокомпенсірованний стабілітроні, опорна напруга дорівнює сумі напруги пробою стабілітрона і напруги переходу база-емітер біполярного транзистора. Коефіцієнт множення опорного напруги визначається дільником R2-R3. Дійсний коефіцієнт множення дещо більше розрахункового через відгалуження струму в базу транзистора.

З міркувань безпеки та простоти монтажу в стабілізаторі позитивної напруги зручніше застосовувати pnp-транзистор, в стабілізаторі негативної напруги - npn-транзистор. У таких конфігураціях колектор силового транзистора електрично з'єднаний із загальним проводом і його можна кріпити безпосередньо до шасі без ізолюючих прокладок. З міркувань доступності та собівартості в стабілізаторах будь полярності простіше і дешевше застосовувати npn-транзистори. При напружених і токах, типових для лампових підсилювачів, ємність конденсатора, шунтуючого стабілітрон, повинна становити кілька тисяч мкФ. При цьому вона не тільки фільтрує низькочастотний шум стабилитрона, але і забезпечує плавне наростання напруги при запуску схеми. Як наслідок, при включенні живлення зростає теплове навантаження на послідовний опір R1.

ІОН на термокомпенсірованний стабілітроні

Термокомпенсірованний стабілітрони зазвичай харчуються постійним струмом від транзисторного або інтегрального джерела струму. Використання базової схеми з баластними резистором не має сенсу, тому що навіть при харчуванні схеми стабілізованою напругою нестабільність по струму буде неприйнятно велика. Слабкострумні стабілітрони на струм 1 мА зазвичай живляться від джерел струму на біполярних транзисторах, польових транзисторах з pn-переходом, стабілітрони на струм 10 мА - від джерел струму на МДП-транзисторах з вбудованим каналом в режимі збіднення. Інтегральні джерела струму сімейства LM134 / LM334 допускають струми до 10 мА, але не рекомендуються до застосування в Cхема зі струмом більше 1 мА через високу нестабільності по температурі (+0,336% / ° C).

Високоомні навантаження з постійним, відносно термостабільним, опором можна підключати безпосередньо до висновків стабілітрона. В інших случах між стабілітроном і навантаженням включається буферний підсилювач на прецизійному операційному підсилювачі або на дискретних біполярних транзисторах. В грамотно спроектованих схемах такого роду, що пройшли тривалу електротермотреніровку, нестабільність при тривалій роботі складає близько 100 ppm на місяць [101] - істотно вище того ж показника прецизійних інтегральних ІОН.

Генератор білого шуму на стабілітроні

Власні шуми стабилитрона лавинного пробою мають спектр, близький до спектру білого шуму. У стабілітронах на напругу 9 ... 12 В рівень шуму досить високий для того, щоб його можна було використовувати для цілеспрямованої генерації шуму. Частотний діапазон такого генератора визначається смугою пропускання підсилювача напруги і може сягати до сотень МГц. На наведених ілюстраціях показані дві можливі конструкції підсилювачів: у першому випадку верхня гранична частота підсилювача (1 МГц) задається ємністю С2, у другому вона визначається смугою пропускання інтегральних підсилювачів (900 Мгц) і якістю монтажу.

Рівень шуму конкретного стабилитрона мало передбачуваний і може бути визначений тільки досвідченим шляхом. Окремі ранні серії стабилитронов відрізнялися особливо високим рівнем шуму, але в міру вдосконалення технології їх витіснили малошумливі прилади. Тому в серійних виробах більше виправдано застосування не стабилитронов, а високочастотних біполярних транзисторів у зворотному включенні, наприклад, розробленого ще в 1960-і роки транзистора 2N918 - спектр його шуму простягається до 1 ГГц.

Програмовані перемички на стабілітронах

Стабілітрон на базі обернено-зміщеного емітерного переходу інтегрального планарного npn-транзистора («поверхневий стабілітрон») відрізняється від дискретних стабилитронов малим граничним струмом стабілізації. Максимальний зворотний струм, допустимий в типовій емітерної структурі з металізацією алюмінієм, не перевищує 100 мкА. При бо? Льшіх токах в приповерхневому шарі відбувається видима оку спалах і під шаром оксиду виникає алюмінієва перемичка, назавжди перетворює загиблий стабілітрон в резистор з опором близько 1 Ом.

Цей недолік інтегральних стабилитронов широко використовується у виробництві аналогових інтегральних схем для точного підстроювання їх параметрів. У технології перепалювання стабилитронов (англ. Zener zapping) паралельно з комутованими опорами формуються елементарні стабілітронах осередки. При необхідності скоригувати величину опору кола або коефіцієнт подільника напруги непотрібні стабілітронах осередку перепалювати імпульсами струму тривалістю 5 мс і силою 0,3-1,8 A, закорачівая відповідні їм резистори. Той же прийом може застосовуватися і в цифрових ІС з металізацією алюмінієм.

Реклама партнерів:

РедагуватиУ обранеДрук


«Що таке стабілітрон?»

В інших пошукових системах:

GoogleЯndexRamblerВікіпедія

» » Що таке стабілітрон?