VYPRYaMITEL_NYE_DIODY

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ. КРЕМНИЕВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ

Цель: ознакомить курсантов с конструкцией выпрямительных диодов и стабилитронов различных типов. Рассмотреть способы включения приборов в электрическую схему. Изучить принцип работы, характеристики, параметры. Возможность практического применения. Обратить внимание на особенности Условных Графических Обозначений и систему маркировки.

План

1. Конструкция p-n-перехода сплавного и диффузного маломощных выпрямительных диодов. Конструкция мощных выпрямительных диодов.

2. Принцип работы выпрямительного диода, вольтамперная характеристика.

3. Параметры выпрямительных диодов. УГО. Схемы соединения.

4. Конструкция, принцип работы и схемы включения кремниевых стабилитронов.

5. Вольтамперная характеристика стабилитрона, параметры кремниевого стабилитрона. УГО.

6. Проверка работоспособности выпрямительных диодов и стабилитронов.

В выпрямителях переменного напряжения наибольшее примене­ние находят германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды. Основными методами получения р-n переходов для выпрямитель­ных диодов являются сплавление и диффузия.

Конструкция маломощного сплавного кремниевого диода пока­зана на рис. 6.1. а. Электронно-дырочный переход образуется вплавлением алюминия в кремний. Пластинка кремния с р-n пере­ходом припаивается к кристаллодержателю, являющемуся одно­временно основанием корпуса диода. К кристаллодержателю приваривается корпус со стеклянным изолятором, через который проходит вывод алюминиевого электрода.

Риc. 6.1. Конструкция выпрямительных диодов:

а - сплавной маломощный кремниевый диод (1 - внешние выводы; 2 — кристаллодержатель;

3 - корпус; 4 -стеклянный изолятор; 5 - алюминиевая проволока; 6 - кристалл; 7- припой);

б - мощный выпрямительный диод (1 - внешние выводы; 2 - стеклянный изолятор; 3 - корпус;

4 - кристалл; 5 — припой; 6 - кристаллодержатель);

в— выпрями­тельный столб

В диффузионных диодах р-n переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала. Конструкции диффузион­ных и сплавных выпрямительных диодов аналогичны. Маломощные выпрямительные диоды имеют относительно небольшие габариты и массу и с помощью гибких выводов монтируются в схему. У мощ­ных диодов кристаллодержатель представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверх­ностью для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (рис. 6.1, б). Между кристаллом и основанием обыч­но помещают пластинку из вольфрама или ковара, имеющую при­мерно такой же коэффициент линейного расширения, как и материал кристалла. Это способствует уменьшению механических напряже­ний в кристалле при изменении температуры.

Выпрямительные столбы представляют собой несколько специ­ально подобранных диодов, соединенных последовательно и зали­тых эпоксидной смолой. Внешний вид и схематическое устройство типичного выпрямительного столба показаны на рис. 6.1, в.

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве р-n перехода пропускать ток только в одном направ­лении.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов являет­ся вольтамперная характеристика. Для сравнения на рисунке при­ведены типовые вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Кремние­вые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допустимое об­ратное напряжение кремние­вых диодов может достигать 1500 В,

в то время как у германиевых оно лежит в пре­делах 100...400 В. Кремниевые диоды могут работать при тем­пературах -60...+150°С, а германиевые — 60...-85 °С. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 °С резко увели­чивается собственная проводимость германия, приводящая к недо­пустимому возрастанию обратного тока. Вместе с тем прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германие­вых. Это объясняется тем, что у германиевых диодов можно полу­чить величину сопротивления в прямом направлении в 1,5—2 раза меньшую, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. По­этому мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода, во столько же раз меньше. В связи с этим в выпрямительных уст­ройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

К основным стандартизированным параметрам выпрямительных диодов относятся:

Средний прямой ток I_ПР.СР - среднее за период значение пря­мого тока.

Максимально допустимый средний прямой ток I_{ПР.СР.max}.

Средний выпрямленный ток I_ВП.СР - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока).

Максимально допустимый средний выпрямленный ток – I_{ВП.СР.max}.

Постоянное прямое напряжение U_ПР. - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Среднее прямое напряжение U_ПР.СР - среднее за период зна­чение прямого напряжения при заданном среднем значении пря­мого тока.

Постоянное обратное напряжение U_ОБР - значение постоян­ного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение - U_ОБР._max

Максимально допустимое импульсное обратное напряжение - U_ОБР._И.max

Постоянный обратный ток I_ОБР - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном, обратном напряжении.

Средний обратный ток I_ОБР,СР — среднее за период значение обрат­ного тока.

При разработке выпрямительных схем может возникнуть не­обходимость получить выпрямленный ток, превышающий предель­но допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рис. 6.3, а).

Для выравнивания токов, протекающих через диоды, последо­вательно с диодами включаются омические добавочные резисторы R_ДОБ порядка нескольких Ом. Это позволяет искусственно уравнять прямые сопротивления диодов, которые для разных образцов при­боров могут быть существенно различными.

В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рис. 6.3, б). При таком соединении напряже­ние распределяется между всеми диодами.

Для обеспечения надеж­ной работы диодов параллельно каждому из них следует включить резистор (порядка 100 кОм) для выравнивания обратных сопротивлений. В этом случае напряжения на всех диодах будут рав­ными.

Кремниевые стабилитроны

Явление электрического пробоя, опасное для обычных диодов, находит полезное применение в кремниевых плоскостных диодах, получивших название кремниевых стабилитронов, или опорных диодов.

При изготовлении стабилитронов наиболее широко использу­ются сплавной и диффузионно-сплавной методы получения р-n переходов. Исходным материалом при изготовлении стабилитрона служит пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Кристалл с р-n переходом помещается обычно в герметизированный металлический корпус (рис. 6.4).

Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратимому электри­ческому пробою р-n перехода.

Следует отметить, что эффект Зинера и лавинный механизм электрического пробоя

р-n перехода наблюдаются как у кремни­евых, так и у германиевых диодов. Однако выделение тепла, со­провождающее эти процессы, приводит для германия к дополнитель­ной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину ла­винного пробоя. Поэтому в качестве материала для полупровод­никовых стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.

Рис. 6.4. Конструкция

кремниевого стабилитрона:

1,8 — внешние выводы; 2 — трубка;

3 — изолятор; 4 — корпус;

5 — внут­ренний вывод;

6 — кристалл с переходом;

7 — кристаллодержатель

Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольтамперная характеристика (рис. 6.5). В прямом направлении вольтамперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти парал­лельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения¹.

Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в р-n переходе даже при значительных обратных токах, будет неболь­шой, что предохраняет р-n переход от теплового (необратимого) пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока ста­билитрона приводит, как и в обычных диодах, к выходу прибора из строя.

¹ Полупроводниковый стабилитрон, у которого областью стабилизации является прямая ветвь вольтамперной характеристики, называют стабистаром.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

Напряжение стабилизации U_CT - падение напряжения на ста­билитроне в области стабилизации при поминальном значении тока.

Минимальный ток стабилизации I_CT..min - такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации I_CT.max - наибольшее значе­ние тока через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения.

Дифференциальное сопротивление r_CT - отношение прираще­ния напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации

r_CT = ΔU_CT/ΔU_CT. (6.1)

Величина r_CT характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока пробоя.

Максимальная мощность рассеивания P_mах - наибольшая мощ­ность, выделяющаяся в р-n переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_ст — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выра­жается в %/град)

Α_CT = ΔU_CT /(U_CT∙ΔT). (6.2)

Наиболее простая, но достаточно распространенная схема стабили­затора постоянного "напряжения на кремниевом стабилитроне при­ведена на рис. 6.6. Схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R₀ и стабилитрона VD. При изменении питающего напряжения U_BX напряжение на стабилитроне и на нагрузке R_H изменяется незначительно, в чем и выражается стаби­лизирующее действие схемы.

Одна из возможных схем стабилизатора переменного напряже­ния на кремниевых стабилитронах приведена на рис. 6.7, а. Напря­жение сети через трансформатор Т поступает в схему, состоящую из резистора R₀ и встречно включенных стабилитронов VD1 и VD2. Переменное напряжение ограничивается на уровне напряжения стабилизации U_CT стабилитронов VD1 и VD2. В результате этого на выходе получается напряжение U_ВЫХ трапецеидальной формы (рис. 6.7, б). При изменении величины входного напряжения ампли­туда выходного напряжения остается постоянной, а действующее значение меняется незначительно (за счет некоторого изменения площади трапеций).

Более сложные схемы стабилизаторов напряжения рассматри­ваются в гл. 20.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Пользуясь справочником [42], расшифруйте обозначения следующих полупроводниковых диодов:

1А401Б, КЛ104А, 2С447А, 2Д910В, АЛ102Г.1И403А, 2ВШ4Г, ГА501Ж,

ГД507А, АИ201И, ЗИ201Л, КС531В, КЦ403Г, Д226Е, КС680А, КД503Б, 2А202А, ФД-1.

2. Каким типам полупроводниковых диодов соответствуют условные гра­фические обозначения, приведенные на рис. 6.25.

3. Какие из указанных полупроводниковых диодов целесообразно использо­вать в схемах выпрямителей?

Д818Г, ГД107Б, 2Д202В, 2Д918А, АИ101А, 2Б110Е, 2У102А, КВ104Б, КЦ405Г, 2С551 А.

2. Составьте схему для снятия вольтамперной характеристики полупровод­никового диода типа 2Д202Д.

3. Можно ли в схеме рис. 6.3,6 для выравнивания обратных сопротивлений подключить параллельно каждому из диодов резисторы с сопротивле­нием 10 Ом?

4. Могут ли кремниевые стабилитроны работать в режиме теплового про­боя?

7. Объясните физический смысл основных параметров кремниевых стабили- тронов.

8. Для стабилизации напряжения используется кремниевый стабилитрон, напряжение стабилизации которого постоянно и равно U„ = 10 В. Опре­делить допустимые пределы изменения питающего напряжения,

если I_стmах = 30мА; I_стmin= 1мА; R_Н = 1 кОм; R₀ = 500Ом.

9. Какие требования предъявляются к высокочастотным диодам? Укажите правильный ответ:

1. высокое обратное напряжение;

2. диод должен быть плоскостным;

3. диод должен иметь минимальную емкость;

4. большой участок насыщения в области обратных напряжений;

5. большая мощность рассеяния.

   10. Какими параметрами характеризуются импульсные диоды?

   11. Укажите основную характеристику варикапа: 1) I_пр = f (U_пр); 2) С_б = f (U_обр); 3) С_диф = f (U_пр); 4) U_обр = f (С_б); 5) С_диф = f(Uобр).

   12. Укажите примерное значение рабочей частоты туннельных диодов: 10⁶ Гц; 10²¹ Гц; 10¹¹ Гц; 10³; Гц; 10¹⁶ Гц.

   13. Составьте схему для снятия вольтамперной характеристики диода типа ЗИ301Г. Подберите необходимые измерительные приборы.

   14. В каких электронных схемах используются туннельные диоды? Ука­жите правильный ответ:

       1. в схемах генераторов;

       2. в схемах выпрямителей;

       3. для настройки колебательных контуров;

       4. в схемах усилителей;

       5. в переключающих схемах;

       6. в схемах, реагирующих на изменение температуры.

   15. Можно ли использовать свойства фотодиодов, если к нему подведено прямое напряжение?

   16. Как работает фотодиод в вентильном режиме?

   17. Составьте схемы фотореле с использованием фотодиодов.

   18. Объясните механизм работы светодиодов.

   19. Укажите возможности практического применения светодиодов.

8