Как найти дифференциальное сопротивление стабилитрона

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель	Линейный источник питания	Импульсный источник питания
Стоимость	Низкая	Высока
Масса	Большая	Небольшая
ВЧ-шум	Отсутствует	Высокий
КПД	35 — 50 %	70 — 90 %
Несколько выходов	Нет	Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении U_пор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток I_обр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение U_обр на диоде до определённого значения U_обр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации U_ст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации I_ст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации I_ст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности P_max, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.max и I_ст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения U_пр и максимально допустимого постоянного прямого тока I_пр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки R_Н. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания U_П и тока нагрузки I_Н.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки R_н тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

выходной ток I_H = I_ST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, I_H = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление r_st = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_ст.max и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

В статье “Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост” я не мало внимания уделил дифференциальному сопротивлению, но с точки зрения объяснения его влияния на работу стабилитрона. Однако оказалось, что нуждается в пояснении само понятие дифференциального сопротивления. Вот об этом и поговорим. Как и во всех статьях для начинающих, математики будет не много, а для понимания достаточно знаний в объеме средней школы.

Сопротивление, нелинейное сопротивление, проводимость

Что такое сопротивление изучают в курсе физики средней школы. Я не сомневаюсь, что это известно абсолютно всем. Как и закон Ома

R = U / I

С точки зрения математики, связь между напряжением, током и сопротивлением линейная. А на ВАХ (Вольт Амперная Характеристика) график этой зависимости прямая линия проходящая через начало координат.

Чем более вертикально проходит (для этой иллюстрации), тем меньше сопротивление. В данном случае

R1 < R2 < R3

Немного позже, уже при изучении переменного тока, школьники узнают о реактивном сопротивлении катушек индуктивности и конденсаторов. Их реактивное сопротивление зависит от частоты, но зависимость между током и напряжением остается по прежнему линейной.

При знакомстве с полупроводниками школьники сталкиваются с нелинейной зависимостью между током и напряжением для P-N перехода.

С точки зрения физики этот график тоже отображает сопротивление (зависимость между током и напряжением), но уже нелинейное. Нелинейной характеристикой обладает и электрический разряд в газах. Существуют и сопротивления зависящие от приложенного напряжения – варисторы. При этом нужно отметить, что термисторы и фоторезисторы не являются нелинейными сопротивлениями, так как величина их сопротивления зависит не от напряжения и тока (зависимость остается линейной), а от иных факторов, температуры и освещенности.

Да, я знаю про NTC и PTC термисторы. Но они не являются темой статьи.

Обратная к сопротивлению величина называется проводимостью.

G = I / U

Единицей проводимости является Сименс (См).

Аппроксимация

ВАХ не всегда являются графиками аналитических функций. Не редко это результат измерений и подобрать аналитическую функцию затруднительно. Или эта функция является слишком сложной.

Кроме того, параметры полупроводниковых приборов (да и вообще электронных компонентов) имеют естественный разброс, иногда довольно значительный. Поэтому точный график требуется далеко не всегда. Обычно нужна некая усредненная кривая, которая отражает типовой случай.

В таких случаях реальную кривую ВАХ делят на несколько частей и подбирают для каждой части функцию, которая является достаточно простой, но ее график может не полностью совпадать с реальностью, а давать некоторую (малую) погрешность. Это называется аппроксимацией.

Есть разные методы аппроксимации, но их изучение уведет нас далеко от темы статьи. Поэтому я остановлюсь на одном, наиболее простом методе – кусочно-линейной аппроксимации. Это замена сложной кривой отрезками прямых линий. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть для нашего случая прямой ветви ВАХ диода

Здесь красным цветом показана реальная кривая, а отрезками черного цвета ее аппроксимация. Реальная кривая разделена точками (U1,0), (U2,I2), (U3,I3), (U4,I4) на части, которые и заменены отрезками прямых. Понятно, что чем короче эти отрезки, и чем их больше, тем точнее результат аппроксимации соответствует реальности.

Обратите внимание, что эти отрезки, хоть они и не проходят через начало координат, являются графиками постоянных сопротивлений. Тут нет никакого нарушения. Просто, хоть это и не очевидно, сопротивление на ВАХ соответствует углу между осью абсцисс и прямой линией зависимости между током и напряжением.

Если вы не очень уверены в своих знаниях математики, прочитайте статьи “Этюд о координатах” и “Сага о треугольниках“

На этот угол не влияет сдвиг графика относительно координатных осей. Просто при сдвиге катетом будет являться не ось координат, а отрезок параллельной ей прямой. Однако я понимаю, что преобразования координат и тригонометрия не вызывают восторга у многих. Поэтому я поступлю проще. При этом я опущу вспомогательные преобразования.

Давайте возьмем отрезок ограниченный точками (U2,I2) и (U3,I3). Разместим вспомогательную систему координат U’-0-I’ в начальной точке этого отрезка. В этой вспомогательной системе координат точка (U2,I2) станет началом координат, а точка (U3,I3) будет иметь координаты (U’3, I’3). Теперь хорошо видно, что отрезок действительно соответствует ВАХ линейного сопротивления.

Мы можем спокойно работать в этой вспомогательной системе координат. А если потребуется пересчитать координаты между основной и вспомогательной системами, то используются простейшие соотношения

U’3 = U3 – U2

I’3 = I3 – I2

Теперь мы очень близко подошли к понятию дифференциального сопротивления. Осталось сделать один простой шаг.

Дифференциальное сопротивление

По графику ВАХ можно узнать какому току какое напряжение соответствует, и наоборот, для любой точки. Это будут абсолютные значения тока и напряжения.

Но есть и другая задача, определить, насколько изменится ток при изменении напряжения. Для линейного сопротивления все просто, а для нелинейного мы можем воспользоваться ранее рассмотренной аппроксимацией. Для упрощения будем рассматривать случай, когда величина изменения полностью укладывается на одном отрезке кусочно-линейной аппроксимации. В противном случае просто придется разбивать диапазон изменений на несколько частей, что не повлияет на результат, но излишне усложнит пример.

Давайте посмотрим, как изменится ток при изменении напряжения от U2 до U3 нашего примера ВАХ диода. Достаточно очевидно, что

Иллюстрация кажется сложной? Не пугайтесь, на самом деле все просто. Изменение напряжения это разность двух отрезков по оси напряжений. Просто начала этих отрезков лежат в начале координат, что и позволяет нам записать привычное

ΔU = U3 – U2

В общем случае, напряжения могут отсчитываться не от нулевого уровня, а от некоторого U0. Напомню, что напряжение это разность потенциалов.

ΔU = (U3 – U0) – (U2 – U0) = U3 – U0 – U2 + U0 = U3 – U2

Зачем так сложно? Это не сложно, это иллюстрирует, что разность напряжений не зависит от точки отсчета. И для нас это важно. И именно это позволило нам так легко ввести вспомогательную систему координат.

Аналогично для тока. Величина изменения тока будет

ΔI = I3 – I2

В пределах нашего отрезка сопротивление будет постоянно и равно R23 (между точками 2 и 3).

ΔI = ΔU / R23

Обратите внимание, здесь здесь речь идет о сопротивлении между двумя точками. Это несколько отличается от просто сопротивления. На самом деле даже не важно, какая именно аппроксимация используется, и используется ли вообще.

Я уже говорил, что чем меньше аппроксимирующие отрезки, тем точнее результат аппроксимации. При длине отрезков стремящейся к нулю мы уже можем говорить не о сопротивлении между двумя точками, а о сопротивлении в данной точке, поскольку точки становятся неразличимыми. Причем совсем не обязательно точки на прямой, но и точки на кривой.

Вот это сопротивление в данной точке и называется дифференциальным сопротивлением

С математической точки зрения это производная от U по I. Я так много внимания уделил кучочно-линейной аппроксимации неспроста. В этом случае у нас дифференциальное сопротивление будет некоторой константой для каждой точки. Именно числовое значение и приводится в справочниках на электронные компоненты.

Графически, дифференциальное сопротивление это касательная к кривой ВАХ в данной точке. Помните, я приводил иллюстрацию, где сопротивление определялось как угол? Дифференциальное сопротивление как раз и определяет для заданной точки угол наклона касательной к оси абсцисс.

Приближенно можно рассчитать дифференциальное сопротивление так, как я показывал на примере R23. То есть, взяв две не очень далеко расположенные точки на графике ВАХ.

Точно так же, как проводимость является обратной величиной к сопротивлению, существует и дифференциальная проводимость, которая обратна дифференциальному сопротивлению.

По графику ВАХ можно найти соответствие тока и напряжения для любой точки. Дифференциальное же сопротивление позволяет определить величину изменения напряжения при изменении тока (и наоборот), а не абсолютные значения. Это самое важное отличие дифференциального сопротивления от просто сопротивления.

Заключение

Понятие дифференциального сопротивления может показаться сложным и непонятным, но на самом деле является довольно простым. Надеюсь, теперь у вас получилось во всем разобраться.

До новых встреч!

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про задачи стабилизатор, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое
задачи стабилизатор, задачи стабилитрон, ток стабилитрона, напряжения стабилизации, характеристики стабилитрона , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Задача. В параметрическом стабилизаторе напряжения используется стабилитрон с Uст= 10 В. Определить допустимые пределы изменения входного напряжения, если максимальный
ток стабилитрона Iст.макс= 30 мА, минимальный ток стабилитрона Iст.мин= 1 мА, сопротивление резистора нагрузки Rн= 1 кОм и сопротивление ограничительного резистора Rогр= 0,5 кОм.

Решение.

Входное напряжение параметрического стабилизатора

Ток нагрузки определим по формуле .

Подставив это значение в первую формулу, получим:

.

Подставляя в эту формулу максимальное и минимальное значение тока стабилитрона, получим максимальное и минимальное значения входного напряжения:

Пример расчета параметрического стабилизатора напряжения

При изменении
напряжения стабилизации напряжения от 8 до 8.1 В ток стабилитрона изменился от 2 до 22 мА. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона. Определить коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора на таком стабилитроне, если U_вх= 16 В,R_огр= 500 Ом.

Решение. Дифференциальное (динамическое) сопротивление стабилитрона

кОм или 5 Ом.

Коэффициент стабилизации .

задачи стабилизатор

См. также

• задачи диод , задачи выпрямитель , задачи электротехника ,
• полупроводниковый диод , вах диодов , классификация диодов , уго диодов ,
• задачи транзисторы , задачи усилители ,
• стабилитрон
• ВАХ диодов

Статью про задачи стабилизатор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики,
ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты.
Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое задачи стабилизатор, задачи стабилитрон, ток стабилитрона, напряжения стабилизации, характеристики стабилитрона
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Цель работы:Построение обратной
ветви вольтамперной характеристики
стабилитрона и определение напряжения
стабилизации; вычисление тока и мощности,
рассеиваемой стабилитроном; определение
дифференциального сопротивления
стабилитрона по вольтамперной
характеристике; исследование изменения
напряжения стабилитрона при изменении
входного напряжения в схеме параметрического
стабилизатора; исследование изменения
напряжения на стабилитроне при изменении
сопротивления в схеме параметрического
стабилизатора.

Краткие сведенья из теории

Стабилитроном
называют кремниевый полупроводниковый
диод, ВАХ которого имеет участки малой
зависимости напряжения от тока (рис.
5.1).

Рисунок 5.1 – Вольтамперная характеристика
стабилитрона

На
обратной ветви таким участком является
участок D-F. При значительных изменениях
напряжения
напряжение на стабилитроне изменяется
незначительно отдо.
При этом обратный ток через стабилитрон
изменяется отдо.
На участке D-F стабилитрон работает в
режиме неразрушающего электрического
пробоя; при этом электрический пробой
в тепловой не переходит. Он наступает
на участке F-H.

Основными
параметрами стабилитронов являются:
‑ номинальное напряжение стабилизации,
соответствующее номинальному току
стабилизации;‑ разброс напряжения стабилизации
– это интервал напряжения стабилизации,
в пределах которого оно находится

.

‑интервал
тока стабилизации

где ‑
максимально допустимый ток стабилизации,
при превышении которого наступает
разрушающий тепловой пробой (точка F на
рис. 5.1);

‑минимально
допустимый ток стабилизации, ниже
которого сопротивление стабилитрона
резко возрастает и уменьшается(точка D на рис. 5.1);

‑средний
температурный коэффициент напряжения
стабилизации, показывающий, на сколько
процентов изменяется
при изменении температуры на 1°C.

;

‑дифференциальное
сопротивление, определяющее стабилизирующие
свойства стабилитрона и показывающее,
в какой степени
зависит от

.

Определение
дифференциального сопротивления
стабилитрона производится путём
построения треугольника в районе точки
E с
.
Чем меньше размеры треугольника DFG
(рис.5.1), тем точнее определяется.
Треугольник, с помощью которого
вычисляются нужные параметры на
вольтамперных характеристиках, называется
характеристическим.

В первом
квадранте ВАХ на рис 5.1 приведена прямая
ветвь стабилитрона. Видно, что при
значительных изменениях прямого
напряжения
‑ прямое напряжение на диоде изменяется
незначительно отдо,
при этом прямой ток через диод изменяется
отдо.
Дифференциальное сопротивление диода
при прямом включении вычисляется с
помощью характеристического треугольника
ACI (рис. 5.1)

.

Диоды,
обладающие малой зависимостью
от,
применяются для стабилизации малых
сопротивлений и называются стабисторами.

Стабилитроны
применяются для стабилизации напряжения
в широких приделах. Стабилизаторы
напряжения на основе стабилитронов
называются параметрическими стабилизаторами
(рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Схема
параметрического стабилизатора
напряжения

Основным
параметром параметрического стабилизатора
напряжения является коэффициент
стабилизации
,
представляющий отношение относительного
изменения входного напряженияк относительному изменению выходного
напряжения

.

При
подключении стабилитрона к источнику
постоянного напряжения через резистор
получается простейшая схема параметрического
стабилизатора (рис. 5.3). Ток
стабилитрона может быть определен
вычислением падения напряжения на
резисторе R

І_ст
= (Е – U_ст)/R,
(5.1)

где Е
‑ напряжение источника питания.

Напряжение
стабилизации
стабилитрона определяется точкой на
вольтамперной характеристике, в которой
ток стабилитрона резко увеличивается.
Мощность рассеивания стабилитрона Р_ст
вычисляется как произведение тока
на напряжение

Р_ст
=.

Дифференциальное
сопротивление стабилитрона вычисляется
так же, как для диода, по наклону
вольтамперной характеристики.

Рисунок 5.3 – Схема
параметрического стабилизатора
напряжения

Эксперимент 1.
Измерение напряжения и вычисление тока

через
стабилитрон

Соберите
схему, представленную на рис. 5.3. Тип
стабилитрона, для соответствующего
варианта представлен в таблице 5.1.

Для всех экспериментов
использовать выбранный тип диода.

Таблица 5.1 – Типы
стабилитронов, для соответствующего
варианта

Вариант	1	2	3	4	5	6
Тип стабилитрона	1N4733A	1N4750A	1N4370A	BZV37	BZV49C2V4	BZD23-C120

Включите схему.

1. Измерьте
значение напряжения
на стабилитроне при значениях ЭДС
источника, приведенных в табл. 5.2, и
занесите в таблицу результаты измерений.

2.
Вычислите ток
стабилитрона для каждого значения
напряжения U_cт
Результаты вычислений занесите в таблицу
5.2.

3. По
данным таблицы постройте вольтамперную
характеристику стабилитрона.

4. Оцените
по вольтамперной характеристике
стабилитрона напряжение стабилизации.

5.
Вычислите мощность Р_ст,
рассеиваемую на стабилитроне при
напряжении Е = 20 В.

6. Измерьте
наклон ВАХ в области стабилизации
напряжения и оцените дифференциальное
сопротивление стабилитрона в этой
области.

Таблица 5.2 Данные
для построения ВАХ стабилитрона

Е, В	0	4	6	10	15	20	25	30	35
Ucт, мВ
, мА

Эксперимент 2.
Получение нагрузочной характеристики

параметрического
стабилизатора

Соберите
схему, представленную на рис. 5.3.

1.
Подключите резистор R_L
=75 Ом параллельно
стабилитрону. Значение источника ЭДС
установите равным 20 В. Включите схему.
Запишите значение напряжения U_ст
на стабилитроне в таблицу 5.3.

2.
Повторите п. 1 при коротком замыкании и
при сопротивлениях резистора R_L
из табл.5.3.

3.
Рассчитайте ток I₁
через резистор R, включенный последовательно
с источником, ток I_L
через резистор R_L,
и ток стабилитрона I_cт
для каждого значения R_L
из таблицы 5.3.

4.
Рассчитать напряжение стабилитрона
U_cт
и значения I₁,
I_L,
U_cт

при Е = 20 В.

Таблица
5.3 ‑ Измерение точек нагрузочной
характеристики

параметрического
стабилизатора.

RL,Oм	75	100	200	300	600	1000	к.з.
Ucт,B
I1 мА
IL.мA
I cт, мА

Эксперимент 3.
Получение ВАХ стабилитрона

на
экране осциллографа

Соберите
схему, представленную на рис. 5.4. Включите
схему. Запишите в экспериментальные
данные напряжение стабилизации,
полученное из графика на экране
осциллографа.

Рисунок 5.4 – Схема для
измерения напряжения стабилизации

Рис. 2.1. 
Вольт-амперная характеристика полупроводникового

стабилитрона при разных температурах

Основные параметры стабилитронов

Номинальный ток
стабилизации  – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме
стабилизации.

Напряжение стабилизации  – значение напряжения стабилитрона при протекании номинального
тока стабилизации.

Минимальный ток
стабилизации  – значение тока стабилитрона, при котором возникает устойчивый
пробой.

Максимальный ток
стабилизации  – наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на
стабилитроне, не превышает допустимого значения.

Дифференциальное
сопротивление стабилитрона (R_ст) – дифференциальное сопротивление при заданном
значении тока стабилизации стабилитрона, определяемое как отношение приращения
напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока.

Температурный
коэффициент напряжения стабилизации – отношение относительного изменения
напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды
при постоянном значении тока стабилизации.

2. Методика выполнения работы

Экспериментальные
исследования стабилитрона проводятся на блоке 1В. Схема блока показана на его
передней панели и на рис. 2.2.

Рис.
2.2. Принципиальная схема блока 1В

Перед началом экспериментов
ознакомьтесь по таблице и выпишите в отчет основные справочные параметры указанного
преподавателем  стабилитрона.

Стабилитроны

Указания по
проведению работы

1. Снимите  данные для построения 
обратной ветви ВАХ стабилитрона

.

Для этого в блоке 1 В
согласно схеме, приведенной на рис. 2.2, подключите проводниками измерительные
приборы: вольтметр с пределами измерения 20 В – к клеммам Х9 и Х10, а
миллиамперметр
с пределом измерения 20 мА – к клеммам Х7 и Х8. Переключателем S8 отключите сопротивление нагрузки.
Переключатель S5 установите в положение «Обр.».

Выведите все ручки
источников питания в крайнее левое положение,  включите на блоке коммутации
электропитание стенда и нажмите кнопку «1В».

При снятии обратной
(рабочей) ветви ВАХ напряжение на стабилитроне  регулируйте
ручками на блоке питания V1 от 0 до значения, при котором ток
стабилитрона либо максимален , либо достигнет
предела измерения миллиамперметра (20 мА). Отсчет напряжения производите по
вольтметру, подключенному к клеммам Х9 и Х10.

Экспериментальные точки
наносите непосредственно на график, где на
оси абсцисс откладывайте значение  (рекомендуемый
масштаб от 0 до 7 В), а на оси ординат –
обратный ток  (от 0 до 20 мА).

По ВАХ стабилитрона
определите экспериментальное значение , точку
номинального режима , а также сопротивление
стабилитрона по постоянному току (статическое)  в
точке номинального режима.

Указание.
Экспериментальную точку номинального режима следует выбрать на средине участка
ВАХ между I_{ст min}  и  I_{ст max}.

2. Измерьте температурный коэффициент стабилизации напряжения.
Включите термостат
нагрева стабилитрона и при достижении температуры 60 °С повторите измерения  аналогично п. 1. Выключите термостат.

Рассчитайте температурный
коэффициент стабилизации напряжения по формуле

, где  

– относительное напряжение
стабилизации при изменении температуры окружающей среды (DТ) от 25 до 60 °С и постоянном (номинальном) значении тока стабилизации.

3. Измерьте дифференциальное
сопротивление стабилитрона в точке номинального режима 

.

Особенность измерения
заключается в том, что при заметном изменении тока DI_ст относительно тока  I_{ст н}  изменение напряжения DU_ст  относительно номинального U_{ст н} очень мало. Поэтому измерение производится
в три этапа по следующему алгоритму.

· Задайте рабочий
режим стабилитрона по постоянному току. Для этого, изменяя напряжение источника питания V1 (рис. 2.2), выставьте по миллиамперметру и вольтметру
соответственно номинальные значения  I_{ст н} и  U_{ст н}.

· Подключите вольтметр к клеммам Х10 и
Х11 источника питания V2 и установите напряжение U_{ст н}. Напряжение между клеммами Х9 и Х11
окажется равным нулю. Переключите вольтметр на клеммы Х9 и Х11 (он покажет
напряжение около нуля) и измените предел его измерений до 2 В. Откорректируйте
напряжение источника питания V2 так, чтобы вольтметр показал 1 В.

Пояснение. Блок питания V2 необходим для
компенсации U_{ст н}, что позволяет использовать при измерении
малых изменений U_ст более чувствительный предел вольтметра.

· Регулируя
напряжение источника питания V1, измените ток стабилитрона 
относительно номинального на величину DI_ст/2 ( можно взять равным I_{ст н}/2). Это приведет к изменению напряжения
U_{ст н} ± DU_{ст н}/2. Полное DU_ст определите по вольтметру.

Дифференциальное
сопротивление в точке номинального режима вычислите по формуле  R_i = DU_cт /DI_ст .

4. Измерьте коэффициент стабилизации K_ст стабилизатора напряжения.

Коэффициент стабилизации

показывает, во сколько раз относительное
изменение напряжения на стабилитроне  меньше относительного
изменения напряжения источника

Методика измерения  K_ст  аналогична методике измерения  R_i.

· Вольтметр
отключите от клемм Х9 и Х11 и подсоедините его к клеммам Х9 и Х10. Установите
номинальный режим стабилитрона. Запишите значение U_{ст н} с точностью до двух значащих цифр.

С помощью переключателя S8 параллельно стабилитрону подключите
сопротивление нагрузки R3. При
этом напряжение на стабилитроне немного уменьшится (порядка 0,1 В). Увеличьте
напряжение источника питания V1 до значения Е_н, чтобы вернуться