Электроника / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

1.Среднее за период значения прямого тока Iпр.ср.(или Iвыпр);

2.Падение напряжения на диоде Uпр.ср. (среднее за период) при протекании прямого тока Iпр.ср.;

3.Средние за период значения обратного напряжения Uобр.ср. и обратного

тока Iобр.ср.;

Предельный режим использования диодов характеризуют следующие

параметры:

1 – максимальное значение прямого тока Iпр.max;

2– максимальное значение обратного напряжения Uпр.max;

3– обратный ток при максимальном значении обратного напряжения

Iобр.max

4 – максимальная и минимальная температура окружающей среды

t°Сmax и t°Сmin.

Для применения диодов в целом ряде устройств необходимо знать сопротивление диода постоянному току R= и дифференциальное

(динамическое) сопротивление Rдин. Эти сопротивления находятся по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода

R Uпр (2.1)

I

пр

U

пр

Rлин I (2.2)

пр

В выражениях (2.1) и (2.2) Iпр, Uпр – значения прямого тока и соответствующего ему падения напряжения на диоде; ∆Uпр, ∆Iпр – малые отклонения напряжения и тока от значений Uпр, Iпр (рисунок 2.2, а, точка А).

33

2.3. Полупроводниковые кремниевые стабилитрон.

Полупроводниковым стабилитроном(опорным диодом) называется диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком вольт-амперной характеристики стабилитрона является область пробоя, а рабочим напряжением – напряжение пробоя.

Серийно выпускаемые стабилитроны подразделяются на стабилитроны общего назначения и прецизионные (с малым динамическим сопротивлением и термокомпенсацией). Стабилитроны также классифицируются по виду пробоя (лавинный, туннельный и туннельно-

лавинный) и рассеиваемой мощности (маломощные – Pд о п <0,3Вт, средней мощности –0,3Вт Pд о п 5Вт и мощные Pдоп>5Вт). Диапазон стабилизируемых напряжений от 0,5 до 200В.

Полупроводниковые стабилитроны широко используются в электронных устройствах авиационной и наземной аппаратуры. Они служат источниками опорного напряжения в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения, используются в параметрических стабилизаторах, применяются для стабилизации амплитуды сигналов и в качестве стабильных пороговых элементов и др. Условное обозначение стабилитрона показано на рисунке 2.3, а.

34

		А
	Uст
U	Uст	0
		Iст min
+60°C
+20°C
-60°С
а)		Iст max
	С
	б)	D
		I

Рисунок 2.3 - Условное графическое изображение стабилитрона (а) и его вольтамперная

характеристика (б).

35

2.4.Принцип действия, характеристики и параметры стабилитронов.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке2.3, б. Прямая ветвь АО этой характеристики и участок ОВ обратной ветви не отличаются от аналогичных участков вольт-амперной характеристики обычного диода и для стабилитрона являются нерабочими.

Участок ВС рабочий, здесь наблюдается электрический (туннельный,

лавинный) обратимый пробой прибора.

Стабилитроны на малые рабочие напряжения (до 3-6 В) выполняются из низкоомного сильно легированного полупроводникового материала.

Ширина p – n – перехода в таких приборах получается малой (доли микрона).

Поэтому уже при сравнительно небольших внешних напряжениях (единицы вольт). Напряженность электрического поля в районе перехода достигает величины Eнр, при которой происходит полевой (туннельный) пробой Таким образом, низкоомные стабилитроны работают в режиме полевого пробоя

(механизм такого пробоя описан в параграфе 1.4).

Для изготовления высоковольтных стабилитронов используется слаболегированный кремний, ширина p – n – перехода оказывается сравнительно большой (единицы или десятки микрон). Поэтому напряженность поля в районе перехода не достигает величины, необходимой для возникновения полевого пробоя, и пробой высоковольтных стабилитронов (Uстаб > 8В) носит лавинный характер. В области напряжений от 6 до 8Впробой определяется действием как лавинного, так и туннельного механизмов.

Участок CD характеристики нерабочий, здесь происходит тепловой пробой с необратимыми процессами. Прибор при работе на этом участке выходит из строя, поэтому ток через прибор обязательно должен быть ограничен внешним сопротивлением.

36

Стабилитроны характеризуются следующими основными параметрами:

Напряжением стабилизации Uстаб – падением напряжения на приборе в рабочем диапазоне;

Токами стабилизации – минимальным Iст.min, номинальным Iст.ном. и максимальным Iст.mах;

Динамическим (дифференциальным) сопротивлением Rдин, равным отношению приращения напряжения на стабилитроне и приращению тока в режиме стабилизации; величина Rдин определяет степень стабилизации напряжения на приборе при изменении тока через стабилитрон;

Наибольшей рассеиваемой мощностью Pmаx, равной Iст.max· Uст;

Температурным коэффициентом напряжения (ТКН), равным отношению относительного приращения напряжения стабилизации к абсолютному приращению температуры окружающей среды при Iст = const (ТКН выражается в процентах).

KT	Uст		100%			(2.3)
	T			U	ст

При изменении полярности напряжения на стабилитроне он работает как обычный диод, включенный в прямом направлении (участок АО

характеристики на рисунке 2.3

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диодов используется для изготовления стабисторов – стабилитронов с напряжением стабилизации всего 0,3 - 1В. Электрическое сопротивление стабилитронов до пробоя достигает нескольких мегом, после пробоя оно резко падает

(дифференциальное сопротивление на рабочем участке характеристики составляет несколько единиц или десятков Ом).

37

2.5.Параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне

Простейшая схема параметрического стабилизатора ПС состоит из стабилитрона КС, включенного параллельно нагрузке стабилизатора RH и

добавочного резистора RД (рисунок 2.4, а).

Rд	ПС
+
	i∑
Uс	Rн	Uн
	КС
-
	а)
	Uн

i

iст max
						∑2
i∑
	Rд	КС				Rн
	∑1
					Uс
0									Uс
		Uc min			Uс		Uc max

б)

Рисунок 2.4 - Однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения (а) и его

вольтамперные характеристики (б).

38

Поскольку стабилитрон представляет собой нелинейное

сопротивление, то исследование схемы целесообразно вести графическим способом. На рисунке 2.4, б построены вольт-амперные характеристики стабилитрона (кривая КС) сопротивления RД (прямая RД) и

сопротивления RН (прямая RН). Элементы КС и RН включены параллельно, поэтому их характеристики складываются по току при одинаковых напряжениях, суммарная характеристика – штриховая линия

Σ1. Элемент RД по отношению к элементам КС и RН включен последовательно, поэтому их характеристики (прямая RД и линия Σ1)

складываются по напряжению при одинаковых токах, результирующая

характеристика всей схемы – кривая Σ2.
Результирующая вольт-амперная характеристика Σ2	дает
возможность определить ток is, протекающий через RД и KC RН	при

любом напряжении на входе схемы UC (напряжении сети). Напряжение на выходе схемы (падение напряжения на параллельном соединении стабилитрона КС и нагрузки RН) легко находится по характеристике Σ1.

Из характеристик рисунка 2.4, б видно, что напряжение на нагрузке RН

стабилизируется: при значительных колебаниях напряжения сети ∆UC

отклонения выходного напряжения ∆UH оказывается небольшими ∆UH

∆UC Очевиден и	диапазон	возможного изменения	напряжения
UC∙(UCmin UCmax).
Количественно	работа	параметрического	стабилизатора

оценивается коэффициентом стабилизации напряжения, который равен отношению отклонений напряжения сети и отклонений напряжений на нагрузке. Обычно это отношение выражается в процентах:

K	ст	Uвх			Uвх	Uвых 0	(2.4)
			Uвых		Uвх 0 Uвых

Можно показать, что колебания напряжения сети уменьшаются параметрическим стабилизатором примерно во столько же раз, во сколько

39

добавочное сопротивление RД больше дифференциального сопротивления стабилитрона RДИН, то есть

	Kст	R1		Uвых 0	(2.5)
		Rдиф		Uвх 0

Реально достигаемый коэффициент стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора составляет несколько десятков. При необходимости получения более точной стабилизации напряжения используют многокаскадные параметрические стабилизаторы или стабилизаторы с замкнутой цепью регулирования.

40

ГЛАВА 3. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p – n – переходов, который может переключаться из непроводящего состояния в проводящее и наоборот.

Тиристоры делятся на:

Диодные тиристоры (динисторы)

Триодные тиристоры.

Симметричные триодные тиристоры.

3.1. Диодные тиристоры

Структура прибора содержит p1-n1-p2-n2-слои, образующие три перехода П1, П2 и П3 (рисунок 3.1). По аналогии с электровакуумными приборами электроды от областей p1 и n2 называются, соответственно,

анодом и катодом.

I

Iо тир max г

Uо тир

Iуд в

Iвкл	б

а

0

Uвкл U

Д

Рисунок 3.1 - Вольт – амперная характеристика тиристора

41

Внешниеp1- и n2-слои называются эмиттерными, внутренниеp2- и n1-

слои – базами.

Внешние напряжение может быть приложено в прямом направлении

(рисунок 3.1, полярность без скобок) при котором происходит снижение потенциальных барьеров П1 и П3. Либо в обратном (рисунок 3.1, полярность в скобках), при котором барьеры переходов П1и П3 возрастают.

Вольт – амперная характеристика p – n – p – n – структуры(рисунок 3.2)

сдержит прямую ветвь 0-а-б-в-г при прямом напряжении U, и обратную ветвь

0-д при U обратной полярности.

I

Iо тир max г

Uо тир

Iуд в

Iвкл

б

а

0

Uвкл U

д

Рисунок 3.2 - Вольт – амперная характеристика тиристора

Точка 0. Напряжение U = 0, анодный ток через тиристор равен нулю.

Участок 0-а. Напряжение U приложено в прямом направлении, переходы П1и

П3 смещены в прямом направлении, их сопротивление мало. Переход

42