Михайлов А.В. и др. Физические основы электроники: пассивные компоненты электронных устройств - файл n1.doc

Михайлов А.В. и др. Физические основы электроники: пассивные компоненты электронных устройств
скачать (10327.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc10328kb.06.11.2012 13:01скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения
1. Напряжение стабилизации – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – десятки вольт).

2. Максимальный ток стабилизации , (несколько миллиампер – несколько ампер).

3. Минимальный ток стабилизации (доли – десятки миллиампер).

4. Дифференциальное сопротивление , которое определя­ется при заданном значении тока на участке пробоя как (доли ом – тысячи ом).

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации– относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на : (– тысячные доли процента).

Дифференциальное сопротивление при увеличении тока стабилизации уменьшается на 10–20 %. Это объясняется тем, что при увеличении приложенного напряжения увеличивается площадь участков, на которых произошел пробой. При токе, близком к номинальному, его сопротивление близко к значению собственного сопротивления базы.

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей. Поэтому в стабилитроне инерционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей, при переходе из области пробоя в область запирания и обратно практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и огра­ничителей. Включение полупроводниковых стабилитронов в схе­му стабилизации выходного напряжения показано на
рис. 2.13, в. При увеличении напряжения питания увеличивается ток в цепи, а падение напряжения на стабилитроне и на нагрузке остается неизменным. При увеличении тока через стабилитрон возрастает падение напряжения на резисторе R. Другими словами, почти все приращение напряжения питания падает на резисторе R, а выходное напряжение остается неизменным за счет своеобразной характеристики обратной ветви стабилитрона.

Параметры цепи стабилизации напряжения выбирают так, чтобы удовлетворялись следующие очевидные неравенства:

; (2.29)

, (2.30)

где и– максимальное и минимальное напряжения источника питания; и – максимальный и минималь­ный токи нагрузок, которые будут соответственно при и .

Если неравенства (2.29), (2.30) не удовлетворяются, то реализовать параметрический стабилизатор напряжения, име­ющий заданные параметры, нельзя и необходимо применять более сложные технические решения.

Для уменьшения температурного коэффициента напряжения стабили-зации последовательно со стабилитроном включают дополнительный диод (рис. 2.14, а). При этом вид вольтамперной характеристики (рис. 2.13, а) при прямом напряжении U изменяется, и этот участок представляет обратную ветвь характеристики диода VD1. В отличие от вышерассмотренного, такой компенсированный стабилитрон практически не изменяет параметры напря­жения, полярность которого противоположна стабилизи­руемому, что удобно при построении ряда устройств.



Рис. 2.14. Температурная компенсация стабилитрона (а); включение стабилит­ронов

для двухполярной стабилизации напряжения (б); двухполярная стабилиза­ция с помощью термокомпенсированных стабилитронов (в); стабилитрон, име­ющий двухполярное

напряжение стабили­зации (г)
Данные стабилитроны получили название прецизи­онных и выпускаются про­мышленностью в виде за­конченных компонентов, на­пример 2С191, КС211, КС520 и др. В них допол­нительно нормируются вре­менная нестабильность на­пряжения стабилизации (тысячные доли процента – доли про­цента) и время выхода на режим, при котором обеспечивается заданная временная нестабильность (десятки минут).

В прецизионных стабилизаторах напряжения вместо рези­стора R устанавливают стабилизатор тока. Он необходим потому, что при изменении тока через стабилитрон на величинупадение напряжения на нем меняется на . Поэтому чем меньше , тем точнее будет поддерживаться требуемое значение напряжения.

При необходимости обеспечить стабилизацию двухполярных напряжений стабилитроны включают последовательно (рис. 2.14, б), а прецизионные (с дополнительными компен­сирующими диодами) – параллельно (рис. 2.14, в).

Кроме того, промышленность выпускает так называемые двуханодные стабилитроны, например КС170А, КС182А и т. д., которые обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений (рис. 2.14, г). Для них дополнительно нормируют абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (доли вольта).

При необходимости стабилизировать или ограничивать короткие импульсы напряжения (длительностью десятки нс – сотни мкс) следует применять стабилитроны, специально предназначенные для этих целей, например КС175Е, КС182Е, КС211Е и др. Они имеют сниженное значение барьерной емкости, так что общая емкость составляет несколько – два десятка пикофарад, и малую длительность переходного процесса (доли наносекунд – несколько наносекунд).
Варикапы. Ширина электронно-дырочного перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап – это полупроводниковый прибор, предназначен­ный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости.



Рис. 2.15. Эквивалентная схема варикапа (а) и его условное графическое обозначение (б); включение варикапа в состав резонансного LC-контура,

перестраиваемого изменением напряжения U (в)
На рис. 2.15 приняты обозначения:– омическое сопротивление базы; – сопротивление запертого p-n-перехода; – барьерная ёмкость; – индуктивность выводов.

Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к p-n-переходу. Его емкость меня­ется в широких пределах, а ее значение определяют из выражения

,

где – ёмкость при нулевом напряжении на диоде; – значение контактного потенциала; U – приложенное обратное напряжение; n = 2 для резких переходов и n = 3 для плавных переходов.

Эквивалентная схема варикапа и его условное обозначение приведены на рис. 2.15, а, б. Наличие индуктивности в эк­вивалентной схеме объясняется, в основном, конструктивными особенностями варикапа.
Основные параметры варикапов и их типовые значения
1. Общая емкость – емкость, измеренная между выво­дами варикапа при заданном обратном напряжении (десятки – сотни пикофарад).

2. Коэффициент перекрытия по емкости – отношение ем­костей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений: (единицы – десятки).

3. Сопротивление потерь – суммарное активное сопротив­ление, включая сопротивление кристалла, контактных соедине­ний и выводов варикапа.

4. Добротность – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала () к со­противлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения: (десятки – сотни).

5. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – от­ношение относительного изменения емкости к вызывавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды: .

На рис. 2.15 в качестве примера показано включение ва­рикапа в цепь резонансного LC-контура. Конденсатор С необ­ходим для исключения попадания постоянного напряжения U в цепь . Его берут достаточно большим: .

Резистор также берется большим, чтобы введение цепи подачи напряжения не приводило к существенному уменьшению добротности варикапа.
Диоды других типов. Кроме рассмотренных диодов, некоторое распрост­ранение получили стабисторы (КС107, 2С113А, 2С119А), туннельные и свер­хвысокочастотные диоды, среди которых различают сверхвысокочастотные детекторные, параметрические, переключательные и ограничительные, умножительные и настроечные.

Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако в отличие от последних, в них используется спе­циальная форма прямой ветви вольт-амперной характеристики. Поэтому стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизи­ровать малые напряжения
(0,35  1,9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются в цепь стабилизации в прямом направлении.

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок с отрицательным диф­ференциальным сопротивлением (участок 12 на рис. 2.16, а). Наличие его является следствием проявления туннельного эффекта. В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяют на усилительные (ЗИ101, ЗИ104 и др.), генераторные (ЗИ201–ЗИ2ОЗ), переклю­чательные (ЗИ306–ЗИ309). Область их применения в настоящее время ограничена из-за большей эффективности, даваемой другими полупровод­никовыми компонентами.

Обращенные диоды представляют собой разновид­ность туннельных диодов и характеризуются тем, что вместо участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением у них на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (рис. 2.16, в). В этих диодах прямую ветвь характеристики можно считать обратной. Обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем у обычных диодов, и может быть применен для выпрямления малых напряжений. Значения обратного напряжения также малы.

Диоды, предназначенные для генерирования шумов, составляют отдельную группу полупроводниковых приборов – так называемых генераторов шу­ма, например типа 2Г401. По виду вольт-амперных характеристик и схеме включения они практически не отличаются от стабилитронов. Режим их работы выбирается так, чтобы обратный ток (ток пробоя) был меньше . При малых токах параметры напряжения пробоя нестабильны, в резуль­тате чего возникают его колебания, происходящие случайным образом (генерируется напряжение шумов).

Спектр их достаточно широкий (до 3,5 МГц), а спектральная плотность напряжения генераторов шума лежит в пределах , причем при изменении обратного тока спект­ральная плотность меняется в два раза и более.


Рис. 2.16. Вольтамперная характеристика туннельного диода (а) и его условное графическое обозначение (б); вольт-амперная характеристика обращен­ного диода (в) и его условное

графическое обозначение (г)

Сверхвысокочастотные диоды подразделяют на смесительные (2А101 – 2А109 и др.), детекторные (2А201 – 2А203 и др.), параметрические (1А401 – 1А408), переключательные и ограничительные (2А503 – 2А524), умножительные и настроечные (Э2А601 – 2А613), генераторные (ЗА703, ЗА705). Это специальные типы диодов, предназначенные для работы в сантиметровом диапазоне волн, которые характеризуются параметрами, важными для работы в этом диапазоне частот.

Магнитодиоды представляют собой полупроводниковые приборы, вольт-амперная характеристика которых существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительности плоскости
p-n-перехода. При практическом применении магнитодиод обычно включают в прямом направлении и используют зависимость его сопротивления от магнитной индукции. Так например, у магнитодиодов КД301В при B = 0 Тл и I = 3 мА падение напряжения на диоде составляет 10 В, а при B = 0,4 Тл и I = 3 мА – около 32 В. Эта группа диодов используется в качестве датчиков магнитного поля.

Диоды Ганна основаны на использовании одноименного физического явления генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полу­проводнике. Это следствие того, что у некоторых полупроводниковых материалов на вольт-амперной характеристике имеется участок с отрицатель­ным дифференциальным сопротивлением, аналогичный характеристике, при­веденной на
рис. 2.16, а. При создании в таком материале электрического поля определенной напряженности возникают колебания электрического поля. Частота их определяется параметрами самого диода, а не параметрами внешней резонансной системы, как это имеет место, например, в генераторах, выполненных на туннельных диодах.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Гер­маний или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1,
кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: вы­прямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, СВЧ – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода (от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 – импульсные). У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие по­рядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по зна­чениям параметров подразделяются на группы). У стабилит­ронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.
2.6. Тиристоры
Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более)
p-n-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные.

В диодных тиристорах различают тиристоры, запираемые в обратном направлении; проводящие в обратном направлении; симметричные.

Триодные тиристоры подразделяют на запираемые в об­ратном направлении с управлением по аноду или катоду; проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их составе различают группу выключаемых тиристоров.

Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 2.17


Рис. 2.17. Условные обозначения тиристоров: 1 – диодный, запираемый

в обратном направлении; 2 – диодный, проводящий в обратном направле­ния;
3 – диодный симметричный; 4, 5 – триодные, запираемые в обратном направлении

с управлением по аноду и катоду; б, 7 триодные, проводящие в обратном направлении

с управлением по аноду и катоду; 8 – триодные симметричные; 9, 10 – триодные,

проводящие в обратном направлении, выключаемые;

11 – тетродные, запираемые в обратном направлении



Рис. 2.18. Структура тиристора (а); структура (б) и схема замещения
двухтранзисторного эквивалента тиристора (в)
Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся р- и
n-области (рис. 2.18, а).

Область р1, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область п2 катодом; области п1, р2 базами.

Если к аноду р1 подключить плюс источника напряжения, а к катоду п2 – минус, то переходы П1 и П3 окажутся открытыми, а переход П2 – закрытым. Его называют кол­лекторным переходом.

Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем.
Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов
разной элект­ропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2.18,
б, в. Ток цепи определяется током коллекторного перехода П2. Он однозначно зависит от потока дырок 1 I из эмиттера транзистора р-п-р-типа и потока электронов 2 I из эмиттера транзистора п-р-п-типа, а также от обратного тока р-п-перехода.

Так как переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки – из области р1, электроны – из области п2. Эти носители заряда, диффундируя в областях баз п1, р2, приближа­ются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через
р-п-переход. Дырки, инжектированные из р1-области, и электроны из п2 движутся через переход П2 в проти­воположных направлениях, создавая общий ток I.

При малых значениях внешнего напряжения все оно прак­тически падает на коллекторном переходе П2. Поэтому к пе­реходам П1, П3, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П2, т. е. I K. При увеличении внешнего напряже­ния ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода П2, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в об­ласти р-п-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрическо­го поля переходят в область р2, а электроны в область п1. Ток через переход П2 увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П1, П3, и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллектор­ного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно, и сопротивление перехода П2 становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие ин­жекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с от­рицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.19). После переключения ВАХ аналогич­на ветви характеристики диода, смещенного в прямом направ­лении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состо­янию тиристора.



Рис. 2.19. Вольт-амперная характеристика динистора
Для определения тока, протекающего через диодный ти­ристор, рассмотрим его 2-транзисторную модель (см. рис. 2.18, в). Токи коллекторов транзисторов п22-п1 - и р1-п1- р2 - соответственно равны

(2.31)

Здесь , обратные токи коллекторных переходов транзисторов V1, V2; , коэффициенты передачи эмиттерного тока.

Так как I = IK1 + IK2, то с учетом (2.31) получим

(2.32)

Если считать, что коэффициент лавинного умножения Мл в переходе П2 для дырок и электронов имеет одинаковые значения, то выражение (2.32) примет вид

(2.33)

где обратный ток перехода П2, равный сумме теплового тока, тока термогенерации и тока утечек.

Тиристор переключается, когда . В этом случае ток I ограничен сопротивлением внешней цепи R, так как собственное сопротивление тиристора весьма мало. Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток меньше (участков 3 на рис. 2.19). Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении.

Триодные тиристоры (рис. 2.20, а) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

При подаче в цепь управляющего электрода тока управления ток через р2-п2-переход увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через р-п - переход приводит к уве­личению тока на величину :

(2.34)


Рис. 2.20. Триодный тиристор: а – структура; б вольт-амперная характеристика;

в – харак­теристики, поясняющие процесс включения; 1 – линия нагрузки
Увеличение тока через закрытый коллекторный р-п-переход в первом приближении аналогично увеличению приложенного напряжения, так как в обоих случаях увеличивается вероятность лавинного размножения носителей заряда. Поэтому, изменяя ток можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения. Семейство вольт-амперных характеристик ти­ристора показано на рис. 2.20, б.

Для того чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения I < Iуд путем понижения питающего напряжения до значения ниже U2, либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной по­лярности.

Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис. 2.20, в. Если к нему через резистор R приложено на­пряжение U1 и ток в цепи управляющего электрода ра­вен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении а. При увеличении тока управляющего элек­трода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения Iу1, ти­ристор включится и рабочая точка его переместится в точку b. Для выключения необходимо (при Iу = 0) уменьшить напряже­ние питания до значения U < U2. При этом рабочая точка из b1 перейдет в а2 и при восстановлении напряжения – в точку а.

Выключить тиристор можно также путем подачи на упра­вляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока. Наличие его приводит к уменьшению концентрации носителей зарядов в базе и уменьшению коэффициентов и . При тиристор выключается и в его цепи протекает малый ток, значение которого равно Iобр.

Недостатком такого выключения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближа­ется к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключа­ющего тока управляющего электрода называется коэффици­ентом запирания:. Он характеризует эффектив­ность выключения тиристора с помощью управляющего эле­ктрода. В ряде разработок КЗ = 4  7.

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.

Симметричные тиристоры. В настоящее время выпускаются симметричные тиристоры, у которых вольт-амперные характери­стики одинаковы в I и III квадрантах (рис. 2.21, а). Они выполнены на основе пятислойных структур и носят название симисторов. Симисторы при подаче на управляющий электрод сигнала одной полярности включаются как в прямом, так и в обратном направлениях. Тиристоры применяют в промыш­ленности в качестве элементов, регулирующих электрическую мощность. Если, например, тиристор включить последовательно с сопротивлением нагрузки (рис. 2.22, а) и управлять моментом включения тиристора сигналами переменного тока, то через нагрузку будут протекать импульсы тока iи (рис. 2.22, б).

Действующее значение iи зависит от момента включения. В приведенной схеме момент включения определяется фазовым сдвигом напряжения управления. Фазовый сдвиг создает регулируемый фазовращатель, включенный в цепь управляющего электрода.

Используя участок характеристики с отрицательным диф­ференциальным сопротивлением, можно создавать генераторы релаксационных колебаний
(рис. 2.22,
в), принцип действия которых состоит в следующем. Пока напряжение на тиристоре меньше Uпрк, конденсатор С заряжается через резистор R. Напряжение на нем увеличивается по экспоненциальному закону. При включении тиристора (UC = Uпрк) конденсатор С быстро разряжается. Когда ток становится меньше Iуд, тиристор выключается. Процессы заряда и разряда пери­одически повторяются. Данная электрическая цепь генерирует периодические импульсы экспоненциальной формы.


Рис. 2.21. Вольт-амперная характеристика симистора (а); подклю­чение напряжений,

обеспечивающих включение тиристоров: с упра­влением по катоду (б); по аноду (в);

управление симистором (г)


Рис. 2.22. Включение тиристора в цепь для регулирования мощности (а);

диаграммы напряжений и токов в цепи (б); релаксационный генератор импульсов (в)
1   2   3   4   5   6   7


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации