Лекция 5. Применение полупроводниковых диодов. Стабилитроны.

1 Лекция 5. Применение полупроводниковых диодов. Стабилитроны. Параллельное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Оно используется с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Это необходимо для исключения перегрузки по току отдельных диодов, приводящей к выходу их из роя вследвие перегрева. Причиной неравномерного распределения токов является несовпадение прямых ветвей вольт-амперных характериик приборов ввиду разброса параметров. Неравномерноь токораспределения в двух диодах при их непосредвенном параллельном соединении вследвие различия прямых ветвей вольт-амперных характериик иллюрирует рис. 3.6, а. Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей вольт-амперных характериик (производят их подбор по прямой ветви вольт-амперной характериики). Широко распроранены также индуктивные делители тока (рис. 3.6, б). При введении в каждую из параллельных ветвей дополнительной индуктивнои возникает э. д. с. самоиндукции при нараании тока в ветвях, вследвие чего различие токов в параллельных ветвях, вызванное разбросом параметров диодов, ановится менее ощутимым. Выравнивание токов может быть в принципе обеспечено и введением в параллельные ветви дополнительных активных сопротивлений, однако при этом создаются дополнительные потери мощнои, особенно при больших токах. Рис Прямые ветви вольт-амперных характериик диодов, используемых для параллельного соединения (а); схема выравнивания токов диодов с помощью индуктивных делителей тока (б) Последовательное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного допуимого обратного напряжения. При воздейвии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток Ib (рис. 3.7, а). Однако ввиду неизбежного различия обратных ветвей вольт-амперных характериик общее напряжение будет рас пределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь вольт-амперной характериики идет выше, будет приложено большее напряжение.

2 Рис Схема последовательного соединения диодов и обратные ветви их вольт-амперных характериик (а); схема выравнивания обратных напряжений, прикладываемых к диодам (б) Неравномерноь распределения напряжения на последовательно работающих диодах является нежелательной. Превышение хотя бы на одном из диодов обратного напряжения над напряжением пробоя может привеи к пробою не только данного, но и всех оальных диодов вследвие повышения на них обратного напряжения. Для исключения неравномерного распределения обратного напряжения диоды в последовательной цепи шунтируют резиорами R (рис. 3.7, б). Выбор сопротивления шунтирующих резиоров производят, исходя из того, чтобы ток, протекающий через резиор R, был на порядок больше обратного тока диодов. При этом неидентичноь обратных ветвей вольт-амперных характериик диодов будет слабо влиять на равномерноь распределения обратных напряжений. Схема проого выпрямителя переменного тока на одном диоде. Разберем схему работы проейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке: Схема выпрямителя с одним диодом На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поупающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

3 При отрицательных полупериодах напряжения, поупающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией). В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток ток одного направления. Это и еь выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания. Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с чаотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертнои нить не будет успевать оывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощнои, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с чаотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является иочником фона. Этот недоаток можно чаично уранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкои. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет доаточно большой емкои, то за время между импульсами тока он не будет успевать полноью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волниой красной линией. Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.

4 В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители однополупериодными выпрямителями. Эти недоатки уранены в выпрямителях с использованием диодного моа. Диодный мо это небольшая схема, соавленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в пооянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, сооящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, моовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные моы изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пламассовый корпус. Внешний вид сборок диодных моов Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «-» или «

», указывающие, где у моа вход, а где выход. Но не обязательно диодные моы можно вретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.

5 Диодный мо из диодов Например. Вышел из роя один из диодов моа, если будет оять сборка, то ее смело выкидываем, а если мо будет собран из четырех диодов прямо на плате меняем неисправный диод и все готово. На принципиальных схемах диодный мо обозначают включением четырех диодов в моовую схему, как показано в левой чаи нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моа. Такое графическое обозначение моа можно вретить еще в арых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мо обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярноь выходного напряжения. Условное обозначение диодного моа Теперь рассмотрим работу диодного моа на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моа, включенных между собой последовательно, но вречно по отношению ко второй паре диодов.

6 Прохождение тока через диодный мо Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поупает на вход диодного моа. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку Rн, диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4 в этот момент закрыты и через них ток не идет. В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем (по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диоды VD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают. В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными. И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней: 1. Удвоилась чаота пульсаций выпрямленного тока; 2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя; 3. Среднее значение напряжения пооянного тока примерно равно переменному напряжению, дейвующему во вторичной обмотке трансформатора.

7 Полупроводниковые абилитроны. Универсальные диоды Полупроводниковыми абилитронами называют диоды, предназначенные для абилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характериике имеется учаок со слабой зависимоью напряжения от проходящего тока. Такой учаок наблюдается на обратной ветви воль-амперной характериики кремниевого диода в режиме лавинного или туннельного пробоя. Поэтому в качеве полупроводниковых абилитронов используются плосконые кремниевые диоды. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например КС168А. Вольтамперная характериика полупроводникового абилитрона изображена на рис На характериике точками А и В отмечены границы рабочего учака. Положение точки А соответвует напряжению пробоя p-nперехода, которое зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примесей. Точка В соответвует предельному режиму, в котором на абилитроне рассеивается максимально допуимая мощноь. Рис Вольт-амперная характериика полупроводникового абилитрона Стабилитроны характеризуются следующими специальными параметрами. Напряжение абилитрона U напряжение на абилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n-перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей p-n-переход получается тонким и в нем доже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину и лавинный пробой наупает раньше, чем напряженноь электрического поля ановится доаточной для туннельного пробоя. Таким образом, подбором

8 удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжения абилизации. Практически при напряжениях абилизации ниже 6 В имеет только туннельный пробой, а при напряжении выше 8 В лавинный. В интервале от 6 до 8 В наблюдаются оба вида пробоя. Минимально допуимый ток абилизации I min ток, при которой пробой ановится уойчивым и обеспечивается заданная надежноь работы. Максимально допуимый ток абилизации I max ток, при котором доигается максимально допуимая рассеиваемая мощноь Рmax. Дифференциальное сопротивление r = du / di отношение приращения напряжения абилизации к вызвавшему его приращению тока. Чем меньше r, тем лучше абилизация напряжения. Температурный коэффициент абилизации напряжения (ТКН), определяемый отношением относительного изменения напряжения абилизации (ΔU/U) к абсолютному изменению темепературы окружающей среды (ΔTокр) при пооянном току абилизации: U U = 100%. (3.4) U T окр У абилитронов с лавинным пробоем ТНК положительный, а с туннельным отрицательный. Для выпускаемых промышленноью абилитронов значение ТНК колеблется от 0,001 до 0,2 %/К. Для абилизации низких напряжений (до 1 В) используют прямую ветвь вольт-амперной характериики диода при U > Uк. В этом режиме также наблюдается слабая зависимоь напряжения на диоде от проходящего тока. Такие приборы называют абирами. Характериика абиора приведена на рис Рис Вольт-амперная характериика абилитрона

9 Лучшие параметры по сравнению с кремниевыми имеют абиоры, изготовленные из селена. Графическое изображение абилитрона (абиора) показано на рис Рис Графическое изображение абилитрона (абиора) В основном абилитроны применяются для абилизации напряжения. Схема абилитрона напряжения показана на рис Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке Rн, а в общую цепь включают ограничительный резиор R, являющийся функционально необходимым элементом. Рис Схема абилизатора напряжения Для схемы, показанной на рис3.11, справедливо уравнение U E = ( I + I н ) R + U = I + R + U R. (3.5) н После преобразования уравнения получим I E R + R н = U. (3.6) R RRн На основании уравнения (3.6) может пороена нагрузочная прямая, точка пересечения которой с вольт-амперной характериикой является рабочей. При изменении напряжения иочника питания Е нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе (рис. 3.12, а), а при изменении сопротивления нагрузки изменятся ее наклон (рис. 3.12, б). При этом если рабочая точка не выходит из границ учака АВ, то напряжение на нагрузке оается практически неизменным. Следовательно, в данной схеме напряжение на нагрузке оается пооянным в некоторых пределах изменения напряжения питания и сопротивления самой нагрузки.

10 Рис К пояснению работы абилизатора напряжения С физической точки зрения принцип абилизации напряжения в данной схеме объясняется следующим образом. Увеличение напряжения иочника питания на величину ΔE приводит к увеличению общего тока в цепи I = I + Iн. Поскольку при изменении тока, проходящего через абилитрон, напряжение на нем оается практически неизменным и равным напряжению абилизации, то изменением тока нагрузки Iн можно пренебречь. Приращение напряжения иочника питания на величину ΔE почти целиком произойдет на ограничительном резиоре R. При уменьшении напряжения иочника питания на величину ΔE общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через абилитрон. Если это уменьшение не вышло из пределов абилизации, в этом случае при сохранении пооянного напряжения на нагрузке напряжение на резиоре R уменьшится на величину ΔE. Таким образом, наличие ограничительного резиора R в рассмотренной проейшей схеме абилизатора напряжения является принципиально необходимым. Изменение сопротивления нагрузки при неизменном напряжении иочника питания не приведет к изменению напряжения на ограничительном резиоре R, а вызовет изменение тока, проходящего через абилитрон. Помимо абилизации пооянного напряжения, абилитроны используются в абилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качеве управляемых емкоей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях пооянного тока и импульсных уройвах.