Параллельное соединение — стабилитрон — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Параллельное соединение — стабилитрон

Cтраница 1

Параллельное соединение стабилитронов для повышения мощности не допускается, так как из-за недостаточной идентичности вольтамперных характеристик, включаемых параллельно диодов, невозможно распределить между ними токи равномерно. Ток стабилизации, проходящий через один диод, может меняться в пределах от 1 до 30 ма и, следовательно, может скомпенсировать изменение тока нагрузки только на эту величину. Таким образом, пределы регулировки при токах нагрузки в сотни миллиампер получаются недостаточными. Чтобы расширить пределы допустимых колебаний входного напряжения и тока нагрузки, в схему стабилизации включают транзистор в качестве эммиттерного повторителя.  [2]

Параллельное соединение стабилитронов не допускается.  [4]

Параллельное соединение стабилитронов допускается при условии, что ток стабилизации, проходящий через каждый стабилитрон, должен быть в пределах допустимых норм. Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов.  [6]

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как разные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений зажигания. Поэтому при параллельном соединении, как правило, зажигается только стабилитрон с наименьшим напряжением зажигания.  [8]

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из-за неизбежного разброса параметров ток стабилитрона с наименьшим напряжением пробоя окажется во много раз больше токов через остальные диоды.  [9]

Параллельное соединение стабилитронов и стабисторов не применяют, так как вследствие различия их сопротивлений ток распределится между ними неравномерно. В результате стабилитрон с меньшим сопротивлением окажется перегруженным и стабилизатор будет ненадежен в работе.  [10]

Допускается параллельное соединение стабилитронов при условии, что ток стабилизации, проходящий через каждый стабилитрон, должен быть в пределах допустимых норм. Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов.  [11]

Для увеличения стабилизированного напряжения применяют-последовательное соединение стабилитронов; параллельное соединение стабилитронов не применяют, так как невозможно подобрать стабилитроны с абсолютно одинаковыми параметрами.  [12]

При работе стабилитрон должен включаться полярностью, обратной указанной на корпусе стабилитрона. Параллельное соединение стабилитронов допускается только при условии, что ток стабилизации, проходящий через каждый стабилитрон, должен быть в пределах допустимых норм.  [13]

Допускается последовательное соединение любого количества стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов допускается при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех параллельно включенных стабилитронах, не превосходит предельной мощности для одного стабилитрона, а ток, протекающий через каждый стабилитрон — величины максимальных и минимальных значений.  [14]

Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой рассеиваемой мощности для одного стабилитрона.  [15]

Страницы:      1    2

Последовательное включение стабилитронов. Принцип работы и маркировка стабилитронов. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять стабилитроны последовательно с тем, чтобы обратное напряжение на каждом стабилитроне не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров стабилитронов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между стабилитронами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование стабилитронов резисторами (рисунок 3). Сопротивления R ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений стабилитронов. Однако R ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение стабилитронов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного стабилитрона. Но если стабилитроны одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных стабилитронов может составлять десятки процентов.(дорисовать палочку в диоде чтобы получился стабилитрон)

Однополупериодный выпрямитель

Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности («+» приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

Большой коэффициент пульсаций;

Малые значения выпрямленного тока и напряжения;

Низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Рабочий режим ПД

Режим диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не пред­ставлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопро­тивления диода постоянному току R o и сопротивления нагрузочного резистора R н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R o у него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и и. А для сопротивления R H подобным

уравнением является закон Ома: i = u R /R H = (Е — u )/R н. Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

ВАХПД.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными . Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными . Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I =I 0 , где I 0 – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; U Д – напряжение на p-n- переходе; j T – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n -переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n -перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

Переход метал-ПП.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла А м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А т то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход

не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А п В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа А п то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шоттки

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U Н = U ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U ст + R ст (I ст – I Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R СТ. Обычно R СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E min  E  E max , то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U CT , а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Все изменения напряжения поглощаются R CT , поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R Н изменяется в пределах от R Н min до R Н max , в этом случае:
,
;
.

Так как R CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U CT также постоянно, то и ток через R CT I CP +I Н CP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I CP и I Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R CT необходимо уменьшать (уменьшать R CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R CT должно быть постоянным.

U Н =U CT ─I Н R доб

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U CT =U CT 1 +U CT 2

Для компенсации температурного дрейфа U CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R T , имеющее ТКR Т обратный по закону ТКU CT .

Для стабилитронов с ТКU CT >0 в качестве R T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

1.10.2. Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r б и малое значение R диф. Слабая зависимость U ПР от I ПР на

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). Его можно рассматривать как делитель напряжения , в котором в качестве нижнего плеча используется стабилитрон. Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Стабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи.

Расчёт параметрического стаилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборах, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов как правило не содержат емкостных фильтров, а конструктору не нужно учитывать переходные процессы в этих фильтрах. В стабилизаторах на полупроводниковых стабилитронах гистерезис отсутствует, фильтрующие конденсаторы подключаются непосредственно к выводам стабилитрона и нагрузки — как результат, конструктор обязан учитывать броски тока заряда (разряда) этих емкостей при включении (выключении) питания. Наихудшими случаями, при которых вероятен выход из строя элементов стабилизатора или срыв стабилизации, являются:

• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при коротком замыкании выхода стабилизатора на общий провод — к примеру, на время зарядки разряженного конденсатора, подключенного непосредственно к выходу стабилизатора, или при катастрофическом отказе стабилитрона. Допустимая мощность рассеивания балластного резистора должна быть достаточной, чтобы выдержать подобное замыкание. В противном случае вероятно разрушение балластного резистора.
• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при отключении нагрузки от выхода стабилизатора. Допустимый ток стабилитрона должен превышать расчётный ток через балластный резистор, определяемый по закону Ома. В противном случае при разогреве кристалла стабилитрона свыше +175 °С стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов .
• Отбор нагрузкой максимально возможного тока при подаче на вход стабилизатора минимально возможного напряжения питания. Сопротивление балластного резистора должно быть достаточно мало, чтобы и в этих условиях ток через резистор превышал ток нагрузки на величину, равную минимально допустимому току стабилитрона. В противном случае ток стабилитрона прерывается, стабилизация прекращается.

На практике часто оказывается, что соблюсти все три условия нельзя как по соображениям себестоимости компонентов, так и из-за ограниченного диапазона рабочих токов стабилитрона. В первую очередь можно поступиться условием защиты от короткого замыкания, доверив её плавким предохранителям или тиристорным схемам защиты, или положиться на внутреннее сопротивление источника питания, которое не позволит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно.

Последовательное и параллельное включение

В документации на стабилитроны иностранного производства возможность их последовательного или параллельного включения обычно не рассматривается. В документации на советские стабилитроны встречаются две формулировки:

• для приборов малой и средней мощности «допускается последовательное или параллельное соединение любого числа стабилитронов» [одной серии];
• для приборов средней и большой мощности «допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов [одной серии]. Параллельное соединение допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой мощности для одного стабилитрона».

Последовательное соединение стабилитронов разных серий возможно при условии, что рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии. Шунтировать стабилитроны высокоомными выравнивающими резисторами так, как это делается в выпрямительных столбах, нет необходимости. «Любое число» последовательно соединённых стабилитронов возможно, но на практике ограничено техническими условиями на электробезопасность высоковольтных устройств. При соблюдении этих условий, при подборе стабилитронов по ТКН и их термостатировании возможно построение прецизионных высоковольтных эталонов напряжения. К примеру, в 1990-е годы лучшие в мире показатели стабильности имел стабилитронный эталон на 1 миллион В, построенный российской компанией «Мегавольт-Метрология» по заказу канадского энергетического института IREQ. Основная погрешность этой установки не превышала 20 ppm, а нестабильность по температуре — не более 2,5 ppm во всём рабочем диапазоне температур.

Составной стабилитрон

Если схема требует снимать со стабилитрона большие токи и мощности, чем это допустимо по техническим условиям, то между стабилитроном и нагрузкой включают буферный усилитель постоянного тока . В схеме «составного стабилитрона» коллекторный переход единственного транзистора, усиливающего ток, включен параллельно стабилитрону, а эмиттерный переход — последовательно со стабилитроном. Сопротивление, задающее смещение транзистора, выбирается таким образом, чтобы транзистор плавно окрывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при I ст.ном. =5 мА и U бэ.мин. =500 мВ сопротивление R=500 мВ/5 мA=100 Ом, а напряжение на «составном стабилитроне» равно сумме U ст.ном. и U бэ.мин. . При больших токах тразистор открывается и шунтирует стабилитрон, а ток стабилитрона прирастает незначительно — на величину, равную току базы транзистора, поэтому в первом приближении дифференциальное сопротивление схемы уменьшается в раз (- коэффициент усиления транзистора по току). ТКН схемы равен алгебраической сумме ТКН стабилитрона при I ст.ном. и ТКН прямо смещённого диода (примерно -2 мВ/°C), а её область безопасной работы на практике ограничена ОБР применяемого транзистора.

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста .

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора также содержит только стабилитрон, транзистор и балластное сопротивление, но транзистор в ней включен по схеме с общим коллектором (эмиттерным повторителем). Температурный коэффициент такого стабилизатора равен алгебраической разнице U ст.ном. стабилитрона и U бэ.мин. транзистора; для нейтрализации влияния U бэ.мин. в практических схемах последовательно со стабилитроном включают прямо включенный диод VD2. Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Умножение напряжения стабилизации

Для стабилизации напряжения, превосходящего максимальное напряжение типовых малогабаритных стабилитронов, можно собрать составной «высоковольтный стабилитрон», например, набрать напряжение 200 В из последовательно соединённых стабилитронов на 90, 90 и 20 В. Но в тоже время напряжение шумов и нестабильность такой схемы могут оказаться неприемлемо высоки, а фильтрация шума высоковольтной цепочки потребует дорогих, массивных конденсаторов . Существенно лучшие характеристики имеет схема с умножением напряжения единственного малошумящего низковольтного стабилитрона на напряжение 5…7 В. В этой схеме, также как и в обычном термокомпенсированном стабилитроне, опорное напряжение равно сумме напряжения пробоя стабилитрона и напряжения перехода база-эмиттер биполярного транзистора. Коэффициент умножения опорного напряжения определяется делителем R2-R3. Действительный коэффициент умножения несколько больше расчётного из-за ответвления тока в базу транзистора.

По соображениям безопасности и простоты монтажа в стабилизаторе положительного напряжения удобнее применять pnp-транзистор, в стабилизаторе отрицательного напряжения — npn-транзистор. В таких конфигурациях коллектор силового транзистора электрически соединён с общим проводом и его можно крепить непосредственно к шасси без изолирующих прокладок. По соображениям доступности и себестоимости в стабилизаторах любой полярности проще и дешевле применять npn-транзисторы. При напряжениях и токах, типичных для ламповых усилителей, ёмкость конденсатора, шунтирующего стабилитрон, должна составлять несколько тысяч мкФ. При том она не только фильтрует низкочастотный шум стабилитрона, но и обеспечивает плавное нарастание напряжения при запуске схемы. Как результат, при включении питания возрастает тепловая нагрузка на последовательное сопротивление R1.

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Термокомпенсированные стабилитроны обычно питаются постоянным током от транзисторного или интегрального источника тока. Использование базовой схемы с балластным резистором не имеет смысла, поскольку даже при питании схемы стабилизированным напряжением нестабильность по току будет неприемлемо велика. Слаботочные стабилитроны на ток 1 мА обычно запитываются от источников тока на биполярных транзисторах, полевых транзисторах с p-n-переходом, стабилитроны на ток 10 мА — от источников тока на МДП-транзисторах со встроенным каналом в режиме обеднения. Интегральные источники тока семейства LM134/LM334 допускают токи до 10 мА, но не рекомендуются к применению в схемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C).

Высокоомные нагрузки с постоянным, относительно термостабильным, сопротивлением можно подключать непосредственно к выводам стабилитрона. В иных случах между стабилитроном и нагрузкой включается буферный усилитель на прецизионном операционном усилителе или на дискретных биполярных транзисторах. В грамотно спроектированных схемах такого рода, прошедших длительную электротермотренировку, нестабильность при длительной работе составляет порядка 100 ppm в месяц — существенно выше того же показателя прецизионных интегральных ИОН.

Генератор белого шума на стабилитроне

Собственные шумы стабилитрона лавинного пробоя имеют спектр, близкий к спектру белого шума. В стабилитронах на напряжение 9…12 В уровень шума достаточно высок для того, чтобы его можно было использовать для целенаправленной генерации шума. Частотный диапазон такого генератора определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. На приведённых иллюстрациях показаны две возможные конструкции усилителей: в первом случае верхняя граничная частота усилителя (1 МГц) задаётся ёмкостью С2, во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа.

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём. Отдельные ранние серии стабилитронов отличались особо высоким уровнем шума, но по мере совершенствования технологии их вытеснили малошумящие приборы. Поэтому в серийных изделиях более оправдано применение не стабилитронов, а высокочастотных биполярных транзисторов в обратном включении, например, разработанного ещё в 1960-е годы транзистора 2N918 — спектр его шума простирается до 1 ГГц.

Программируемые перемычки на стабилитронах

Стабилитрон на базе обратно-смещённого эмиттерного перехода интегрального планарного npn-транзистора («поверхностный стабилитрон») отличается от дискретных стабилитронов малым предельным током стабилизации. Максимальный обратный ток, допустимый в типовой эмиттерной структуре с металлизацией алюминием , не превышает 100 мкА. При больших токах в приповерхностном слое происходит видимая глазу вспышка и под слоем оксида возникает алюминиевая перемычка, навсегда превращающая погибший стабилитрон в резистор с сопротивлением около 1 Ом.

Этот недостаток интегральных стабилитронов широко используется в производстве аналоговых интегральных схем для точной подстройки их параметров. В технологии пережигания стабилитронов (англ. zener zapping ) параллельно с коммутируемыми сопротивлениями формируются элементарные стабилитронные ячейки. При необходимости скорректировать величину сопротивления цепи или коэффициент делителя напряжения ненужные стабилитронные ячейки пережигаются импульсами тока длительностью 5 мс и силой 0,3-1,8 A, закорачивая соответствующие им резисторы. Тот же приём может применяться и в цифровых ИС с металлизацией алюминием.

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U Н = U ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U ст + R ст (I ст – I Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R СТ. Обычно R СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E min £ E £ E max , то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U CT , а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Все изменения напряжения поглощаются R CT , поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R Н изменяется в пределах от R Н min до R Н max , в этом случае: , ; .

Так как R CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U CT также постоянно, то и ток через R CT I CP +I Н CP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I CP и I Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R CT необходимо уменьшать (уменьшать R CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R CT должно быть постоянным.

U Н =U CT ─ I Н R доб

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U CT =U CT 1 +U CT 2

Для компенсации температурного дрейфа U CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R T , имеющее ТКR Т обратный по закону ТКU CT .

Для стабилитронов с ТКU CT >0 в качестве R T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r б и малое значение R диф. Слабая зависимость U ПР от I ПР на

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

Туннельные диоды

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы, ВАХ которых имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 24).

Туннельные диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей. Вследствие этого толщина запирающего слоя p-n-перехода очень мала (0,01¸0,02мкм), что создает условия для туннельного эффекта.

Наличие высокой концентрации примесей вызывает расщепление примесных уровней в зоны и сильное искривление энергетических зон.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n-перехода.

При подаче прямого смещения возрастает поток электронов туннелированных из n области в p. По мере роста U пр происходит увеличение I пр, который достигает I max при U 1 (0 ¸ 1) (для германиевых диодов U 1 = 40 ¸ 50 мВ; для арсенид галлиевых — U 1 = 100 ¸ 150 мВ). При этих смещениях величина диффузионного тока через потенциальный барьер ничтожна, и I пр определяется только туннельным эффектом. При дальнейшем увеличении U ПР, I ПР уменьшается (перекрытие энергетических зон уменьшается). При U ПР = U 2 туннельный ток равен нулю (1¸2).

Этот участок ВАХ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением т.к. DI

В т.2 I ПР = I min – это обычный прямой диффузионный ток диода. (т.е. в т.2 туннельный диод ведет себя как обычный диод), туннельный эффект закончился.

При дальнейшем увеличении U ПР, I ПР увеличивается (2¸3) за счет роста диффузионного тока – преодоление электронов потенциального барьера.

Основные особенности ВАХ туннельных диодов:

Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением R диф;

Большие токи при обратных смещениях.

Основные параметры:

Ток максимальный I max – соответствует пику ВАХ;

Ток минимальный I min – соответствует минимуму ВАХ;

Напряжение пика U 1 – соответствует току I max ;

Напряжение U 2 – соответствует I min ;

Максимальный I ПР;

U ПР соответствует I ПР max ;

Постоянное обратное напряжение;

Емкость диода.

Туннельные диоды используются в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия (до 1000 мГц).

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенность – это практическое отсутствие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на прямой ветви ВАХ (рис. 25).

По форме ВАХ обращенного диода представляет перевернутую ВАХ обычного диода.

Открытое состояние для таких диодов соответствует обратному смещению. При обратном смещении ток через диод очень сильно зависит от напряжения. Достоинство – диоды могут работать при очень малых напряжениях.

Они обладают хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование процесс малоинерционный, а смещения малы, поэтому практически отсутствует инжекция и накопление неосновных носителей.

Обращенные диоды используются в диапазоне СВЧ. Достоинством туннельных и обращенных диодов является высокая радиационная стойкость, вследствие высокой концентрации примесей.

Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, который используется как нелинейная емкость, управляемая напряжением (емкость p-n-перехода – функция приложенного напряжения).

В варикапах используется барьерная емкость, т.к. диффузионная зашунтирована малым прямым сопротивлением p-n-перехода.

Варикап работает при обратных смещениях на p-n-переходе. Его емкость меняется в широких пределах (10¸1000 пФ) и определяется выражением:

,

где С 0 – емкость при U Д = 0, U K – значение контактного потенциала, U – приложенное обратное напряжение, n =2 – для резких p-n переходов, n=3 – для плавных переходов. С ростом U обр емкость уменьшается. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (ВФХ) (рис. 26).

Основные параметры:

Емкость варикапа С в – емкость, измеренная при заданном U обр;

Коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей при двух заданных U обр; ,

− сопротивление потерь r П – суммарное активное сопротивление варикапа;

− добротность Q B – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте Х С к сопротивлению потерь ;

ТКС В – температурный коэффициент С В.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для отображения информации. Светодиод (СИД) получают на основе p-n или гетеропереходов с выпрямляющей ВАХ (рис. 27).

Излучение в области перехода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока. При этом рекомбинирующий электрон переходит из ЗП в ВЗ с выделением кванта света с энергией hu »DW 3З. Для получения квантов видимого света ширина ∆W ЗЗ должна составлять DW 3 ³1,7эВ. При DW 3

Такой величиной DW 33 обладают полупроводниковые соединения GaAsP с различным соотношением элементов 1,4

В обычных плоских переходах, кванты света поглощаются в кристалле полупроводника вследствие внутреннего отражения. Поэтому в СИД используют сферическую форму кристалла, либо плоский кристалл полупроводника вплавляют в сферическую каплю стекла или пластика, что снижает эффект внутреннего отражения (рис. 28).

Похожая информация.

Стабилитрон, он же диод Зенера, назван в честь первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера и на схемах обозначается следующим образом.

Но в отличие от выпрямительного диода ток через него может течь в обоих направлениях.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт — амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными.
При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.

• Vz — напряжение стабилизации , обычно указывается минимальное и максимальное значение
• Iz и Zz — минимальный ток стабилизации и сопротивление стабилитрона
• Izk и Zzk — ток и сопротивление в точке, где начинается «излом» характеристики
• Ir и Vr — обратный ток и напряжение при заданной температуре
• Tc — температурный коэффициент
• Izrm — максимальный ток стабилизации

Формула для его вычисления выглядит следующим образом

Параллельное соединение стабилитронов.

19. Последовательное соединение стабилитронов.

19. Стабилитроны

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначен- ные для стабилизации уровня напряжения в схеме. У стабилитронов напря- жение в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от тока в заданном диапазоне. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока). В основе работы стабилитрона лежат два механизма:Лавинный пробой p-n перехода, Туннельный пробой p-n перехода

19. Основные типы полупроводниковых диодов

Под понятием полупроводникового диода собрано множество приборов с различным назначением. Приборы с одним p—n-переходом;

1. универсальный;

2. выпрямительный диод — достаточно мощный, позволяющий получать из переменного тока постоянный для питания нагрузки;

3. импульсный диод;

4. лавинно-пролётный диод;

5. туннельный диод — диод с участком, обладающим отрицательным дифференциальным сопротивлением;

6. стабилитрон — диод работающий на напряжении электрического пробоя в обратном направлении;

7. варикап — диод с управляемой напражением ёмкостью ЭДП в обратном включении;

Приборы с иными разновидностями полупроводниковых структур:

1. диод Ганна — полупроводниковый прибор без p—n-перехода, использующий эффект доменной неустойчивости;

2. диод Шоттки — прибор со структурой металл — полупроводник, с уменьшенным падением напряжения в прямом направлении;

Фотоэлектрические приборы:

1. фотодиод — диод, преобразующий свет в разность потенциалов;

2. светодиод — диод, излучающий свет.

19. Последовательное соединение пд.

При выпрямлении более высокого, чем предельное для одиночного диода, напряжения можно соединить диоды последовательно, чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

19. Параллельное соединение пд.

Параллельное соединение диодов (рисунок 4) применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельною тока одного диода .Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно на-груженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки процентов.

19. Стабилизатор напряжения.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Последовательное соединение стабилитронов.

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять стабилитроны последовательно с тем, чтобы обратное напряжение на каждом стабилитроне не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров стабилитронов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между стабилитронами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование стабилитронов резисторами (рисунок 3). Сопротивления R_ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений стабилитронов. Однако R_ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение стабилитронов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного стабилитрона. Но если стабилитроны одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных стабилитронов может составлять десятки процентов.(дорисовать палочку в диоде чтобы получился стабилитрон)

Однополупериодный выпрямитель

Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности («+» приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

-большой коэффициент пульсаций;

-малые значения выпрямленного тока и напряжения;

-низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Рабочий режим ПД

Режим диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не пред­ставлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопро­тивления диода постоянному току R_oи сопротивления нагрузочного резистора R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R_oу него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и и. А для сопротивления R_Hподобным

уравнением является закон Ома: i = u_R/R_H= (Е — u)/R_н. Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

ВАХПД.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными. Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I=I₀[exp(U_Д/j_T)-1], где I₀ – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; U_Д – напряжение на p-n-переходе; j_T – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T=300 K, j_T=0.025 В).

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

Переход метал-ПП.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла А_ммень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А_тто будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход

не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А_п < А_м). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа А_п < А_м, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шоттки

Последовательное и параллельное соединение выпрямительных диодов

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с U_{обр max} = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов R_о6р1, = R_обр2 = 1 МОм и R_о6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится U_о6р1, = U_обр2 = 200 В и U_о6р3, = 600 В. На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее R_обр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Рисунок 2.26 – Последовательное соединение диодов

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.26). Сопротивления R _шрезисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем R _шне должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм. Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Для примера на рисунке 2.27, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых I_{пр max} = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.27 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.27, б) – с целью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора R_у = 0,1:0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R _у . Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на R_y ,, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

Импульсные диоды

Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупровод-никовые диоды часто работают в импульсном режиме (импульсных цепях) при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n переходов (доли микроварад). Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой R_н во много раз больше прямого сопротивления диода (R_н» R_пр ) (рисунок 2.28). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рисунок 2.28, а).

График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на показан для этого случая на рисунке 2.28, б. При прямом напряжении ток в цепи определяется сопротивлением R_н. Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше R_н. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длитель­ностью в доли микросекунды) импульсах.

При перемене полярности напряжения, т. е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит им­пульс обратного тока (рисунок 2.28, б), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме i_{обр. уст}.

 
Рисунок 2.28 — Импульсный режим работы диода

Главная причина это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в n- и р-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если n-область является эмиттером, а р-область — базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в n-область и рассматривать только поток электронов из n-области в р-область.

Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в р-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками

или дойти до вывода от р-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через n-область до металлического вывода от этой области.

Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения i_обруст. Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода R_обр сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.

Время τ_вос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время — важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов τ_вос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока — заряд барьерной емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода. Эта емкость у специальных диодов для импульсной работы не превышает единиц пикофарад.

Если импульс прямого тока имеет длительность значительно большую, чем длительность рассмотренных переходных процессов, то импульс обратного тока получается во много раз более коротким (рисунок 2.28, в) и его можно не принимать во внимание.

Уменьшение емкостей достигается за счёт уменьшения площадей p-n переходов. Для уменьшения τ_вос диоды изготавливают так, чтобы ёмкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Допускаются мощности рассеяния у них невелики (30-40 мВт).

По способу создания р-n переходов импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, меза- и планарно-диффузионные [7].

В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. ВАХ диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад приложенного напряжения (декада – изменение значения в 10 раз) представляет почти идеальную экспонициальную кривую, а обратные токи малы (доли-десятки нА[1]).

Большинство конструкций импульсных диодов имеет металлостеклянный или стеклянный корпус.

На рисунке 2.29 показана конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б, предназначенных для применения в сверхбыстрых действующих формирователях импульсов. Выпускаются диоды в стеклянном корпусе. Масса диода не более 0,2 г.

Рисунок 2.29 — Конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б

На рисунке 2.30 показана конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А, предназначенного для применения в импульсных схемах. Выпускаются диоды в металлическом корпусе с гибкими выводами. Диод обозначается на корпусе продольной полосой красного цвта. Масса диода не более 0,15 г.

Рисунок 2.30 — Конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А

Импульсные диоды обладают следующими основными параметрами:

1. Общая ёмкость диода С_д (доли nФ – несколько пФ)

2. Максимальная импульсное прямое напряжение U_{пр и max} (единицы В)

3. Максимально допустимый импульсный ток I_{пр и max} (сотни mA)

4. Время установления прямого напряжения t_уст – время от момента подачи импульса прямого тока до достижения заданного значения прямого напряжения на нём (доли нс – доли мкс). Это время Зависит от скорости движения внутрь базы инпретированных через переход неосновных носителей, в результате которого наблюдается уменьшене её сопротивления.

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t_вост (τ_вост.)

Изготовление р-n-переходов методом диффузии примесей значительно улучшает параметр t_вост.

Стабилитроны

Как было показано в пункте 1.3.5 вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рисунке 2.31 дана типичная вольт-амперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Рисунок 2.31 — Вольтамперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе

Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые’ напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.

Напряже­ние стабилизации U_ст может быть примерно от 3 до 200 В. изменение тока стабилитрона от I_min до I_max составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Р_mах, рассеиваемая в стабилитроне, от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление R_д = Δu/Δi в режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напря­жения. Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивле­ние R_д от единиц до десятков Ом. Чем меньше R_д, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы R_д = 0. Так как R_д является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R₀ = и/ i . Сопротивление Rо всегда во много раз больше R_д.Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения и„ при изменении температуры на один градус, т. е.

ТКН=ΔU_ст/(U_стΔT) .                                            (2.10)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного по­лупроводника. Стабилитроны на напряжения до 7 В изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п — р-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то n-р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рисунке 2.32. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором R_огр.

Рисунок 2.32 — Схема включения стабилитрона

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряже­ние источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_нпостоянно. Для уста­новления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно иметь определенное значение. Обычно R_огр рас­считывают для средней точки Т характеристики стабилитрона. Если напряже­ние Е меняется от Е_min до Е_max, то можно R_огр найти по следующей формуле:

                              R_огр = (Е_ср – U_ст)/(I_ср + I_Н) ,                                   (2.11)

где Е_ср = 0,5 (Е_min — Е_max) — среднее напряжение источника; I_ср = 0,5 (I_min + I_max) — средний ток стабилитрона; I_н = U_ст / R_н — ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным.

Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное Е_max — Е_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором ещё сохраняется стабилизация, т. е. I_max — I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

ΔЕ≤( I_max — I_min) R_огр .                                                         (2.12)

Стабилизация в более широком диапазоне изменения Е возможна при увеличении R_огр. Но из формулы (2.12) следует, что большее R_огр получается при меньшем I_н, т. е. при большем R_н. Повышение Е_ср также дает увеличение Rогр.

Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон. Тогда последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор, сопротивление которого легко рассчитать по закону Ома (рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 — Включение добавочного резистора для понижения стабильного напряжения на нагрузке

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е= const, а R_н изменяется в пределах от R_{н min} до R_{н max}. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

                         R_огр=(E-U_ст)/(I_ср+ I_{н ср}) ,                                          (2.13)

где I_{н ср}=0,5 (I _{н min}— I _{н max}), при чём I _{н min}=U_ст/ R_{н max} и I _{н max}= U_ст/ R_{н min}.

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_огр постоянно и падение напряжения на нем, равное Е — U_ст, также постоянно, то и ток в R_огр, равный I_ср+ I_{н ср} должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток I_н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_н увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рисунок 2.34). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускается только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

Рисунок 2.34 — Последовательное включение стабилитронов

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рисунок 2.35) в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение U_ст, нежели стабилитрон VD2.

Рисунок 2.35 — Каскадное включение стабилитронов

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации к_ст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рисунку 2.32 можно написать

 .                                         (2.14)

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить к_ст,
равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рисунок 2.35) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев (ячеек):

к_ст = к_ст1 к_ст2…                                                                (2.15)

и уже при двух звеньях достигает нескольких сотен.

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на R_огр велики, особенно в схеме каскадного соединения.

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабили­трон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_огр. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_огр, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Конструкция стабилитронов очень незначительно отличается от конструкций выпрямительных диодов.

Стабисторы

Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабисторов используется не обратное напряже­ние, а прямое. Значение этого напря­жения мало зависит от тока в некото­рых его пределах. Как правило, стабисторы изготовляются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно не­сколько стабисторов. Особенность ста­бисторов – отрицательный температур­ный коэффициент напряжения, т. е. на­пряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положи­тельный температурный коэффициент напряжения.

Варикапы

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емко­сти, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специ­альных схемах, например в так назы­ваемых параметрических усилителях. На рисунке 2.36 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенцио­метра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную час­тоту контура. Добавочный резистор R₁ с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор С_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напря­жения замкнут накоротко катушкой L.

Рисунок 2.36 – Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора переменной емкости

В качестве варикапов довольно ус­пешно можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже U_СТ, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

Туннельные диоды

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод из­готовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией приме­сей (10¹⁹ —10²⁰ см^-3), т.е. с очень ма­лым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обыч­ных диодах. Такие полупроводники с ма­лым сопротивлением называют вырож­денными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике полу­чается в десятки раз тоньше (10^-6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещен­ной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вслед­ствие малой толщины перехода напря­женность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 10^б В/см.

В туннельном диоде, как и в обыч­ном, происходит диффузионное переме­щение носителей через электронно-ды­рочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет тун­нельный эффект. Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенци­ального барьера возможно проникно­вение электронов через барьер без изме­нения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального барьера (в элект­рон-вольтах), совершается в обоих на­правлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свобод­ные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики (в которой электрон рассматри­вается как частица материи с отрицатель­ным зарядом), но оказывается вполне ре­альным в явлениях микромира, подчи­няющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двой­ственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электро­магнитная волна. Но электромагнитная волна может проходить через потенци­альный барьер, т. е. через область элект­рического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удоб­но рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны прово­димости в n- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности по­тенциалов в n-р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон дру­гой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-воль­тах.

На рисунке 2.37 с помощью энергети­ческих диаграмм изображено возникно­вение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмот­рение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма на рисунке 2.37, а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потен­циального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в ва­лентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично заня­тые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответству­ют уровням энергии, не занятым элект­ронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. По­этому возможен туннельный переход электронов из области n в область р (прямой туннельный ток i_пр) и из области р в область n (обратный туннельный ток i_o6p). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

Рисунок 2.37 – Энергетические диаграммы p-n-перехода в туннельном диоде при различном приложенном напряжении

На рисунке 2.37, б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер пони­зился на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход элект­ронов из области n в область р уси­ливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни с такими же энергиями, как энергии уров­ней, занятых электронами в зоне прово­димости области n. А переход электро­нов из валентной зоны области р в об­ласть n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток от­сутствует, и результирующий ток дости­гает максимума. В промежуточных слу­чаях, например когда u_пр = 0,05 В, су­ществует и прямой и обратный туннель­ный ток, но обратный ток меньше пря­мого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, по­лучающегося при u_пр = 0,1 В.

Случай, показанный на рисунке 2.37, в, соответствует u_пр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный пере­ход невозможен, так как уровням, за­нятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энерге­тические уровни, находящиеся в запре­щенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при боль­шем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возраста­нии прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях u_пр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше тун­нельного тока, а при u_пр > 0,2 В диф­фузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого то­ка обычного диода.

На рисунке 2.37, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение u_обр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимо­сти n-области. Поэтому резко возраста­ет обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика тун­нельного диода (рисунок 2.38) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при u = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает воз­растание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее уве­личение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннель­ного тока. Поэтому в точке Б полу­чается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для кото­рого характерно отрицательное сопро­тивление переменному току

R_i = Du/Di < 0.                                                (2.16)

После этого участка ток снова воз­растает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рисунке 2.38 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, не­жели у обычных диодов.

Рисунок 2.38 – Вольтамперная характеристика туннельного диода

Основные параметры туннельных диодов – ток максимума I_тах, ток ми­нимума I_min (часто указывается отноше­ние I_max/I_min, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение мак­симума U₁ напряжение минимума U₂, наибольшее напряжение U₃, соответ­ствующее току I_тах на втором восхо­дящем участке характеристики (участок БВ). Разность DU = U₃ – U₁ называется напряжением переключения или напря­жением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые до­ли вольта. К параметрам также отно­сится отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков Ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (доли наносекунды) и мак­симальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).

Включая туннельный диод в различ­ные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать поло­жительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивле­ния туннельного диода можно уничто­жить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простей­шая схема генератора колебаний с тун­нельным диодом показана на рисунке 2.39.

Рисунок 2.39 – Простейшая схема включения туннельного диода для генерации колебаний

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При включении питания в контуре LC воз­никают свободные колебания. Без тун­нельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками « + » и «–» без кружков (знаки « + » и «–» в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке характеристики ток возрастает, т. е. пройдет дополни­тельный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта дополни­тельная энергия достаточна для компен­сации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов че­рез потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки вре­мени: 10^-12-10^-14с, или 10^-3-10^-5нс. Поэтому туннельные диоды хорошо ра­ботают на сверхвысоких частотах. На­пример, можно генерировать и усили­вать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заме­тить, что частотный предел работы тун­нельных диодов практически определя­ется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопротивлением.

Принцип усиления с туннельным ди­одом показан на рисунке 2. 40. Для полу­чения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и R_н. Сопротивление R_H должно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. Тогда при отсутствии входного напря­жения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падаю­щего участка (эта точка является пере­сечением линии нагрузки с характеристи­кой диода). При подаче входного на­пряжения с амплитудой U_{m вх} линия нагрузки будет «совершать колебания», перемещаясь параллельно самой себе.

Рисунок 2.40 – Простейшая схема усилителя с туннельным диодом (а) и график, поясняющий процесс усиления (б)

Крайние ее положения показаны штри­ховыми линиями. Они определяют ко­нечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряже­ний, получаем амплитуду выходного напряжения U_{m вых}, которая оказывается значительно больше амплитуды вход­ного. Особенность усилителя на тун­нельном диоде – отсутствие отдельной входной и отдельной выходной цепи, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими кас­кадами усиления. Усилители на тун­нельных диодах могут давать значитель­ное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется так­же в качестве быстродействующего переключателя, причем время переклю­чения может быть около 10^–9 с, т.е. около 1 нс, и даже меньше. Схема ра­боты туннельного диода в импульсном режиме в общем случае такая же, как на рисунке 2.40, но только входное напря­жение представляет собой импульсы, а сопротивление R_H должно быть не­сколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рисунке 2.41 показана диаграмма ра­боты туннельного диода в импульсном режиме. Напряжение питания Е выбрано таким, что при отсутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается максимальным (I_mах), т. е. диод открыт. При подаче положитель­ного импульса входного напряжения прямое напряжение на диоде увеличи­вается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значения I_min, что ус­ловно можно считать закрытым состоянием диода. А если установить посто­янное напряжение Е, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряже­ния отрицательной полярности.

Рисунок 2.41 – Работа туннельного диода в импульсном режиме

Туннельные диоды могут приме­няться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннель­ных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению, а также ма­лое потребление энергии от источника питания. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены зна­чительному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может приве­сти к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо пола­гать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупро­водник с концентрацией примеси около 10¹⁸ см^–3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рисунок 2.42). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому та­кой диод хорошо пропускает ток в об­ратном направлении. Подобные диоды, получившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

Рисунок 2.42 – Вольтамперная характеристика и условное графическое обозначение обращенного диода

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических гер­метичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые мате­риалы для них и проблемы замедления старения.

Рекомендуемые страницы:

Стабилитроны | Основы электроакустики

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов: управляемая полупроводниковая емкость – варикапы; лавинный пробой – стабилитроны; туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды; фотоэффект – фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов – светодиоды; многослойные диоды – динисторы; приборы на переходе металл – полупроводник – диоды Шоттки. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие как тиристоры. Рассмотрим наиболее часто применяемые диоды – стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в области лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, рассеиваемая на нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис.выше показано схемотехническое обозначение стабилитрона, а на рис.ниже приведена его вольтамперная характеристика.

Основными параметрами стабилитронов являются:

• напряжение стабилизации номинальное UСТ;
• напряжение стабилизации минимальное UСТ. мин;
• напряжение стабилизации максимальное UСТ. макс;
• дифференциальное сопротивление RСТ;
• температурный коэффициент напряжения стабилизации αСТ;
• минимальный ток стабилизации IСТ. мин;
• максимальный ток стабилизации IСТ. макс;
• рассеиваемая мощность PРАС.   

Простейшая схема стабилизатора напряжения (рис.4.15) включает в себя балластный резистор R0, стабилитрон VD и нагрузку RН, напряжение на которой требуется поддерживать постоянным.

Если изменится входное напряжение UВХ, то это приведет к изменению тока через стабилитрон VD, при этом изменяется сопротивление стабилитрона и соответственно изменится падение напряжения на резисторе R0, в результате чего произойдет компенсация изменения UВХ. 

Недостатком рассматриваемых схем является то, что потери мощности в самом стабилитроне и на R0 велики, особенно в схемах каскадного соединения. Другой недостаток – схема не стабилизирует выходное напряжение при изменении сопротивления нагрузки и при изменении параметров самого стабилитрона.

транзисторы — Прикладная радиоэлектроника — Проекты — Проекты

Для хорошей работы транзисторов на их выводы должно быть подано определенной величины и полярности постоянное напряжение. При этом, естественно рабочие напряжения, токи и мощности должны быть меньше соответствующих табличных параметров транзистора, так как эти приборы чувствительны к электрическим перегрузкам. Вызывая локальный перегрев полупроводниковой структуры они приводят к необратимым процессам в ней и отказу транзистора. Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо прежде всего принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым. В рабочем режиме лучше чтобы нагрузки по току и напряжению не превышали 70% предельно допустимых. Иногда это достигается при помощи параллельного и последовательного включения транзисторов.

 * СПЕЦИЯ 03445.eps
D1 4 0 диод
D2 4 2 диода
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN (0 20 1k)
.модель диода d bv = 10
.tran 0,001м 2м
.конец
 

 * СПЕЦИЯ 03445.eps
D1 4 0 диод
D2 4 2 диода
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN (0 20 1k)
.модель диода d bv = 10
.tran 0,001м 2м
.конец