5.7. Конструкция таблеточных диодов

В таком диоде выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. В отличие от диодов штыревой конструкции его не припаивают к основаниям, а прижимают к ним через вольфрамовые пластины при сборке на заводе. Прижимные контакты позволяют снизить механические напряжения, возникающие в элементе при резких изменениях температуры. В результате этого, а так же благодаря двухстороннему отводу тепла, повышается стойкость диодов к перегрузкам. Вентили таблеточной конструкции в отличии от вентилей штыревой конструкции не ввинчивают в охладители, а зажимают контактными поверхностями между двумя половинками охладителей, изолированными друг от друга и имеющими большую (развитую) поверхность охлаждения.

Выпрямительные установки тяговых подстанций и электроподвижного состава комплектуются в основном лавинными диодами. При применении лавинных диодов отпадает необходимость в применении специальных средств защиты диодов от перенапряжения и сами диоды могут быть выбраны с меньшим запасом по напряжению по сравнению с нелавинными, имеющими то же значение напряжения пробоя.

5.8. Стабилитрон

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стаби-лизации напряжения. Иногда стабилитрон называют опорным диодом, так как полученное от него стабильное напряжение в ряде случаев используется как эталонное.

По принципу работы и ВАХ стабилитрон аналогичен лавинному диоду.

Отличительной особенностью стабилитрона является наличие на обратной ветви ВАХ (рис. 5.3) области электрического пробоя p-n-перехода (участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.

Рис. 5.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При обратных токах, меньших чем I_{ст.макс} состояние пробоя не приводит к порче диода. При больших токах происходит недопустимый нагрев вентиля и он выходит из строя.

Чтобы лавинный пробой происходил равномерно по всей поверхности структуры, для изготовления стабилитронов используют кремний с высокой степенью очистки. Напряжение, при котором возникает пробой, зависит от ширины p-n-перехода и удельного сопротивления материала. Изменяя это сопротивление и параметры технологического процесса (температуру, степень насыщенности примесями и т.д.) можно получить различные значения напряжения стабилизации.

Примерами использования стабилитрона могут служить:

1. схема стабилизации постоянного напряжения (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема стабилизации постоянного напряжения

Стабилитрон VD включают параллельно нагрузке, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение.

На схеме R_огр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения U_вх увеличивается ток стабилизации I_ст и падение напряжения ∆U на резисторе R_огр. Напряжение на выходе U_вых, на стабилитроне и R_н, остается почти неизменным.

При изменении сопротивления нагрузки R_н происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется.

В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры. Для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают термистор R_т, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры.

2. датчик, реагирующий на изменение напряжения (рис. 5.5).

Стабилитрон VD включают параллельно нагрузке, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение.

В системах автоматики стабилитрон часто используют в качестве датчика, реагирующего на изменение напряжения. Если входное напряжение U_вх возрастет выше определенного уровня, стабилитрон пробивается и через включенный последовательно с ним прибор (например, катушку реле), начинает протекать ток I, при этом подается сигнал на срабатывание соответствующих устройств.

Рис. 5.5. Датчик, реагирующий на изменение напряжения

К основным параметрам стабилитрона относятся:

1) напряжение стабилизации U_ст – соответствует значению в точке р (рабочая точка) на середине рабочего участка аб (рис. 5.3). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе стабилизации от 4000 до 100 мА;

2) минимальный I_ст.мин и максимально допустимый I_{ст.макс} токи стабилизации.

Значение I_ст.мин определяется необходимой устойчивостью работы, так как при I_обр  I_ст.мин лавинный пробой может быть неустойчивым. При значении I_обр  I_{ст.макс} происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя;

3) динамическое сопротивление стабилитрона r_т (r_дин) определяется по выражению:

(5.1)

Чем меньше r_т, тем лучше стабилизация;

4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется.

Температурный коэффициент напряжения определяется по выражению:

, [%/С]. (5.2)

Температурный коэффициент напряжения положителен для стабилитронов, работающих при высоких значениях напряжения (больше 5 В), и отрицателен для низковольтных стабилитронов (напряжение стабилизации меньше 51В). Это объясняется различием в механизме пробоя широких (на более высокие напряжения) и узких (низковольтных) p-n-переходов. В широких переходах имеет место лавинный пробой, а в узких – зеннеровский.

Рис. 5.6. Зависимость обратной ветви вольт-амперной характеристики

стабилитрона от температуры

При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов:

U_ст = U_ст1 + U_ст2 + ... + U_{ст n}. (5.3)

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично лавинным выпрямительным диодам.

Двухсторонние стабилитроны.

Эти приборы предназначены для ограничения напряжений на элементах электрических цепей и выполняет роль разрядников в электротехнических устройствах. Условное обозначение и конструктивное исполнение двухстороннего стабилитрона изображены на рис. 5.7 а, б соответственно. Прибор можно представить в виде двух встречно-включенных лавинных диодов со структурой p-n-p, имеющей два p-n-перехода. Технология изготовления прибора аналогична технологии изготовления лавинных диодов и обеспечивает получение на элементе двух защитных колец.

а б в

Рис. 5.7. Условное обозначение двухстороннего стабилитрона (а), его конструктивное исполнение (б) и воль-тамперная характеристика (в)

На рис. 5.7 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины (термокомпенсаторы), 2 – защитные кольца, 3 – области проводимости p-типа, 4 – область проводимости n-типа.

ВАХ двухстороннего стабилитрона (рис. 5.7, в) представляет сочетание двух обратных ветвей встречно-включенных лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат.

Максимальная энергия импульса, рассеиваемая двухсторонним стабилитроном, составляет 5-10 Дж, а уровень напряжения стабилизации (лавинообразования) – от 400 до 2500 В. Приборы могут работать при частоте до 5001Гц.

Двухсторонние стабилитроны подключают к двум точкам, между которыми действует напряжение, подлежащее ограничению. Их выпускают таблеточной и штыревой конструкции.