Какие диоды используют для генерации электрических колебаний

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные и плоскостные диоды. Соответственно малую и большую (десятки и сотни мм 2 ) площадь перехода. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Все диоды делят на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства ^-«-переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики р-и-перехода. ВАХ диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.

Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При росте температуры окружающей среды выше определенного значения уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой пробой и — диод выходит из строя.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления токов промышленной частоты и более высоких частот. Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов служит обычно кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах.

Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем коэффициент выше, тем выше КПД и меньше потери.

Используют прямую и обратную (допробойную) ветви вольт- амперной характеристики (рис. 6.4). Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. В идеальном диоде было бы R_np = 0, Д₀б_Р = оо.

Мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и особенно выключении.

Основные параметры выпрямительного диода:

До = U_a/I_a — сопротивление диода постоянного тока;

Ri = AU_a/AI_a — сопротивление диода переменного тока;

S = AI_a/U_a — крутизна вольтамперной характеристики;

/_пр (при заданном U_np) — параметр, задающий точку прямой ветви вольт-амперной характеристики;

/₀б_р (при заданном U_o6p) — параметр, задающий точку обратной ветви вольт-амперной характеристики;

С/обр. max — максимально допустимое обратное напряжение, превышение которого приводит к пробою;

/_пр. шах — максимально допустимый прямой ток, превышение которого приводит к выходу из строя;

Ршах — максимальная мощность, рассеиваемая диодом, при которой параметры его не меняются;

7^_тах — максимальная температура перехода. Выше этой температуры электронно-дырочный переход перестаёт существовать.

Работоспособность германиевых диодов снижается при температуре 70 °С, а кремниевых — при 200 °С.

Для германиевых диодов напряжение, при котором ток / = 0,1/_тах, составляет 0,2-0,4 В.

Для кремниевых оно составляет 0,5-0,8 В.

Высокочастотные диоды. Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (телеизмерительная техника, космическая связь, радиолокация), называют высокочастотными СВЧ.

Варикап — диод с обратно смещенным электронно-дырочным переходом; применяется в качестве конденсатора для постройки частотноизбирательных цепей, для осуществления частотной и амплитудной модуляции. Основной параметр конденсатора С — ёмкость при заданном U₀б_Р.

Напомним, что при подаче обратного напряжения /?-«-структура уподобляется конденсатору, пластинами которого являются р- и «-области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей зарядов). Образующаяся при этом барьерная емкость может быть использована в качестве конденсатора в электронной аппаратуре.

Варикапы — это диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого />-«-перехода. Поскольку размеры емкости р-п- перехода зависят от значения приложенного к нему обратного напряжения, то и величина барьерной емкости изменяется вместе с этим напряжением.

Внешнее обратное напряжение, втягивая электроны в глубь «-области, а дырки — в глубь р-области, расширяет />-«-переход и изменяет барьерную емкость. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения обратного напряжения — вольт-фарадная характеристика.

Стабилитроны применяют в качестве стабилизаторов напряжений. Стабилитрону, как показывает само название, свойственна стабильность, т. е. неизменность падения напряжения на нем при изменении в несколько раз тока, протекающего через него.

Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном включают резистор R, ограничивающий ток, который является обратным током для р-я-структуры стабилитрона. Дифференциальное сопротивление стабилитрона

Перейдя к приращениям, получим а подставив А/_ст запишем

При R » 7?_диф получим, что AU_CT « AU_BX и стабилизация тем лучше, чем больше отношение R/R_m$. В основе их действия лежит механизм лавинного пробоя (используется обратная ветвь вольт-амперной характеристики) и туннельного эффекта (рис. 6.4).

Недостаток рассмотренной схемы — зависимость пробивного напряжения стабилитрона, а следовательно, и выходного напряжения, от температуры. Эту зависимость можно существенно уменьшить, включив последовательно со стабилитроном компенсирующий диод в прямом направлении. Повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U_CT > 5 В и уменьшает его при U_CT = 4 кОм, параметры стабилитрона U_CT = 14 В; /_сх. _min = 2 мА; /_ст. _тах = 19 мА, а напряжение источника изменяется от С/min = 18В до U_max = 22 В.

Решение. Найдем среднее значение напряжения источника и тока стабилитрона:

Ток, проходящий через нагрузку

Значит, сопротивление ограничительного резистора

Пример 6.2. Рассчитать сопротивление нагрузки в цепи с последовательно включенным в прямом направлении диодом, чтобы ток его не превышал 110 мА, если падение напряжения на диоде 0,6 В, а напряжение питания 5 В.

Пример 6.3. На сколько изменится сила тока диода, если напряжение увеличилось на 4 В, а крутизна характеристики этого диода 4,5 мА/В?

Решение

Пример 6.4. Сила тока в прямом направлении полупроводникового диода равна 100 мА при напряжении 0,3 В. Определить потерю мощности на нагревание диода.

Решение

Пример 6.5. Три однотипных диода соединены параллельно в прямом включении. Падение напряжения в каждом из них составило 1,5 В. Сопротивления диодов при этом напряжении равны 1,8; 2,5; 2,2 Ом. Определить общий ток цепи.

Решение. Определив по закону Ома значения тока в каждой ветви, суммируем их по первому закону Кирхгофа:

Пример 6.6. Рассчитать сопротивление нагрузки в цепи с последовательно включенным в прямом направлении диодом, чтобы ток его не превышал 10 мА, если падение напряжения на диоде 5 В, а напряжение питания 25 В.

Виды и классификация диодов

Диод – электронный прибор с двумя (иногда тремя) электродами, обладающий односторонней проводимостью. Электрод, подключенный к положительному полюсу прибора, называют анодом, к отрицательному – катодом. Если к прибору приложено прямое напряжение, то он находится в открытом состоянии, при котором сопротивление мало, а ток протекает беспрепятственно. Если прикладывается обратное напряжение, прибор, благодаря высокому сопротивлению, является закрытым. Обратный ток присутствует, но он настолько мал, что условно принимается равным нулю.

Содержание статьи

Общая классификация

Диоды делятся на большие группы – неполупроводниковые и полупроводниковые.

Неполупроводниковые

Одной из наиболее давних разновидностей являются ламповые (электровакуумные) диоды. Они представляют собой радиолампы с двумя электродами, один из которых нагревается нитью накала. В открытом состоянии с поверхности нагреваемого катода заряды движутся к аноду. При противоположном направлении поля прибор переходит в закрытую позицию и ток практически не пропускает.

Еще одни вид неполупроводниковых приборов – газонаполненные, из которых сегодня используются только модели с дуговым разрядом. Газотроны (приборы с термокатодами) наполняются инертными газами, ртутными парами или парами других металлов. Специальные оксидные аноды, используемые в газонаполненных диодах, способны выдерживать высокие нагрузки по току.

Полупроводниковые

В основе полупроводниковых приборов лежит принцип p-n перехода. Существует два типа полупроводников – p-типа и n-типа. Для полупроводников p-типа характерен избыток положительных зарядов, n-типа – избыток отрицательных зарядов (электронов). Если полупроводники этих двух типов находятся рядом, то возле разделяющей их границы располагаются две узкие заряженные области, которые называются p-n переходом. Такой прибор с двумя типами полупроводников с разной примесной проводимостью (или полупроводника и металла) и p-n-переходом называется полупроводниковым диодом. Именно полупроводниковые диодные устройства наиболее востребованы в современных аппаратах различного назначения. Для разных областей применения разработано множество модификаций таких приборов.

Виды диодов по размеру перехода

По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.

Плоскостные детали представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния. Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами. Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными.

Точечные диоды имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.

Микросплавные модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.

Материалы для изготовления диодов

При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.

Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В. В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал. Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.

Виды диодов по частотному диапазону

По рабочей частоте диоды делятся на:

• Низкочастотные – до 1 кГц.
• Высокочастотные и сверхвысокочастотные – до 600 мГц. На таких частотах в основном используются устройства точечного исполнения. Емкость перехода должна быть невысокой – не более 1-2 пФ. Эффективны в широком диапазоне частот, в том числе низкочастотном, поэтому являются универсальными. используются в цепях, в которых принципиальным фактором является высокое быстродействие. По технологии изготовления такие модели разделяют на точечные, сплавные, сварные, диффузные.

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении. В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока. По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

• Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
• Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе. работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей. Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

Виды диодов по типу конструкции

Стабилитроны (диоды Зенера)

Эти устройства способны сохранять рабочие характеристики в режиме электрического пробоя. В низковольтных устройствах (напряжение до 5,7 В) используется туннельный пробой, в высоковольтных – лавинный. Стабилизацию невысоких напряжений обеспечивают стабисторы.

Стабисторы

Стабиистор, или нормистор, — это полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации (примерно 0,7-2 V).

Диоды Шоттки

Устройства, применяемые в качестве выпрямительных, умножительных, настроечных, работают на базе контакта металл-полупроводник. Конструктивно они представляют собой пластины из низкоомного кремния, на которые наносится высокоомная пленка с тем же типом проводимости. На пленку вакуумным способом напыляется металлический слой.

Варикапы

Варикапы выполняют функции емкости, величина которой меняется с изменением напряжения. Основная характеристика этого прибора – вольт-фарадная.

Туннельные диоды

Эти полупроводниковые диоды имеют падающий участок на вольтамперной характеристике, возникающий из-за туннельного эффекта. Модификация туннельного устройства – обращенный диод, в котором ветвь отрицательного сопротивления выражена мало или отсутствует. Обратная ветвь обращенного диода соответствует прямой ветви традиционного диодного устройства.

Тиристоры

В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.

Симисторы

Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока. В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Динисторы

Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.

Диодные мосты

Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой. Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полно- или полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.

Фотодиоды

Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.

Светодиоды

Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.

Инфракрасные диоды

Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне. Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток. Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.

Диоды Ганна

Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.

Магнитодиоды

В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.

Лазерные диоды

Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.

Лавинные и лавинно-пролетные диоды

Принцип действия устройств заключается в лавинном размножении носителей заряда при обратном смещении p-n перехода и их преодолении пролетного пространства за определенный временной промежуток. В качестве исходных материалов используются арсенид галлия или кремний. Приборы в основном предназначаются для получения сверхвысокочастотных колебаний.

PIN-диоды

PIN-устройства между p- и n-областями имеют собственный нелегированный полупроводник (i-область). Широкая нелегированная область не позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя. Однако зато PIN-диоды широко применяются в качестве смесительных, детекторных, параметрических, переключательных, ограничительных, настроечных, генераторных.

Триоды

Триоды – это электронные лампы. Он имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и управляющую сетку. Сегодня триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц высокой мощности при маленьком числе активных компонентов, а габариты и масса не имеют большого значения.

Диоды и их применение

Продолжаем изучать полупроводниковые приборы, им хочется уделить более пристальное внимание, потому как их значимость в радиоэлектронике трудно переоценить. В этом уроке будет предложена несложная практическая работа для закрепления материала. Во всем остальном этот урок по значимости ни чем не отличается от предыдущих. Если вы заметили во всех уроках, я стараюсь выкладывать основные мысли по теме, чтобы не перегружать юных радиолюбителей непонятными математическими выкладками и т.д., за исключением подробных пояснений, если это необходимо. И так, как и в предыдущих уроках, что выделено черным курсивом, зазубриваем. Приступайте!

Полупроводники и их свойства

Сегодня в «семейство» диодов входит не один десяток полупроводниковых приборов, носящих название «диод». Здесь речь пойдет лишь о некоторых приборах, с которыми вам в первую очередь придется иметь дело. Схематично диод можно представить, как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа р, а другая — n типа. На (рис. 1, а) дырки, преобладающие в пластинке типа р, условно изображены кружками, а электроны, преобладающие в пластинке типа n — черными шариками таких же размеров. Эти две области — два электрода диода: анод и катод. Анодом, т.е. положительным электродом, является область типа р, а катодом, т.е. отрицательным электродом,- область типа n. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой полупроводниковый прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к его электродам подключить источник постоянного тока, например, гальванический элемент, но так, чтобы его положительный полюс был соединен с анодом диода, т.е. с областью типа р, а отрицательный — с катодом, т.е. с областью типа, n (рис. 1, б), то диод окажется в открытом состоянии и в образовавшейся цепи потечет ток, значение которого зависит от приложенного к нему напряжения и свойств диода. При такой полярности подключения батареи электроны в области типа n перемещаются от минуса к плюсу, т. е. в сторону области типа р, а дырки в области типа р движутся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно — дырочным переходом или, короче, р — n переходом, электроны как бы «впрыгивают» в дырки, в результате и те, и другие при встрече прекращают свое существование. Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области типа n практически неограниченное количество электронов, пополняя недостаток электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом элемента, может принять из области типа р такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок.

Рис. 1 Схематическое устройство и работа полупроводникового диода.

В этом случае сопротивление р — n перехода мало, вследствие чего через диод течет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р — n перехода и напряжение источника питания, тем больше этот прямой ток. Если полюсы элемента поменять местами, как это показано на (рис. 1, в), диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды на диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р — n перехода, электроны в области типа n будут перемещаться к положительному, а дырки в области типа р — к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами электропроводности как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 1, (в) она заштрихована и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода. На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают Iпр., а обратный Iобр. А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток Iпр., и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления — обратный ток Iобр. — Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут Uпp.) или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратным (пишут Uобр.) или непропускным. При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом. В этом нетрудно убедиться, если обратное сопротивление диода измерить омметром. Внутреннее сопротивление открытого диода — величина непостоянная и зависит от прямого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например, если через диод идет прямой ток Iпр. = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = 1 / 0,1 = 10 Ом. В закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико. Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт — амперной характеристикой диода (ВАХ). Такую характеристику вы видите на (рис. 2). Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока Iпр., а внизу — обратного тока Iобр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения прямого напряжения Uпp., влево — обратного напряжения. На такой вольт — амперной характеристике различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь вольт — амперной характеристики, соответствующую обратному току. Из нее видно, что ток Iпр. диода в сотни раз больше тока Iобр. Так, например, уже при прямом напряжении Uпp. = 0,5 В ток Iпр. равен 50 мА (точка (а) на характеристике), при Uпp. = 1 В он возрастает до 150 мА (точка (б) на характеристике), а при обратном напряжении Uобр. = 100 В обратный ток Iобр. не превышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитайте, во сколько раз при одном и том же прямом и обратном напряжении прямой ток больше обратного.

Рис. 2 Вольт — амперная характеристика полупроводникового диода.

Рис. 3 Схематическое устройство (а) и внешний вид некоторых плоскостных диодов (б).

Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь, как видите, идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов. Примерно такие вольт — амперные характеристики имеют все германиевые диоды. Вольт — амперные характеристики кремниевых диодов чуть сдвинуты вправо. Объясняется это тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1-0,2 В, а кремниевый при 0,5-0,6 В. Прибор, на примере которого я рассказал вам о свойствах диода, состоял из двух пластин полупроводников разной электропроводности, соединенных между собой плоскостями. Подобные диоды называют плоскостными. В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластину полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадратной пластины площадью 2 — 4 мм квадратных и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной электропроводностью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропроводности (рис. 3, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности, а между ними р — n переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками. Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых из них показан на (рис. 3, б). Приборы заключены в цельнометаллические или стеклянные корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радиотехнических устройств. Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею, заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными Диодами. Теперь познакомимся с принципом преобразования переменного тока в ток постоянный. Схему простейшего выпрямителя переменного тока вы видите на (рис. 4, а). На вход выпрямителя подается переменное напряжение электроосветительной сети. К выходу выпрямителя подключен резистор Rн, символизирующий нагрузку, питающуюся от выпрямителя. Функцию выпрямительного элемента выполняет диод V. Сущность работы такого выпрямителя иллюстрируют графики, помещенные на том же рисунке. При положительных полупериодах напряжения на аноде диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку, подключенную к выпрямителю, течет прямой ток диода Iпр. При отрицательных полупериодах напряжения на аноде диода закрывается и во всей цепи, в которую он включен, течет незначительный обратный ток диода Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на рис. 4, а показано штриховыми линиями). И вот результат: через нагрузку Rн, подключенную к сети через диод V, течет уже не переменный, а пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по значению с частотой 50 Гц. Это и есть форма выпрямленного переменного тока. Таким образом, диод является прибором, обладающим резко выраженной односторонней проводимостью электрического тока. И если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных диодов не превышает малые доли миллиампера, можно считать, что диод является односторонним проводником тока. Можно ли таким током питать нагрузку? Можно, он ведь выпрямленный. Но не каждую. Лампу накаливания, например, можно, если, конечно, выходное напряжение не будет превышать то напряжение, на которое лампа рассчитана. Ее нить будет накаливаться не постоянно, а импульсами, следующими с частотой 50 Гц. Из-за тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, поэтому мерцания света будут едва заметными. А вот приемник питать таким током нельзя. Потому что в цепях его усилителей ток тоже будет пульсировать с такой же частотой. В результате в телефонах или головке громкоговорителя на выходе приемника будет прослушиваться гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Этот недостаток можно частично устранить, если на выходе выпрямителя параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Сф) большой емкости, это показано на (рис. 4, б). Заряжаясь: от импульсов тока, конденсатор (Сф) в момент спадания тока или его исчезновения (между импульсами) разряжается через нагрузку Rн. Если конденсатор достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться и в нагрузке будет непрерывно поддерживаться ток. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на (рис. 4, б) сплошной волнистой линией. Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель: он будет «фонить», так как пульсации пока еще очень ощутимы. В выпрямителе, с работой которого мы сейчас разбираемся, полезно используется энергия только половины волн переменного тока. Такое выпрямление переменного тока называют однополупериодными, а выпрямители — однополупериодными выпрямителями. Однако выпрямителям, построенным по таким схемам, присущи два существенных недостатка. Первый из них заключается в том, что напряжение выпрямленного тока равно примерно напряжению сети, в то время как для питания транзисторных конструкций необходимо более низкое напряжение, а для ламповых часто более высокое напряжение. Второй недостаток — недопустимость присоединения заземления к приемнику, питаемому от такого выпрямителя. Если приемник заземлить, ток из электросети пойдет через приемник в землю — могут перегореть предохранители. Кроме того, приемник или усилитель, питаемые от такого выпрямителя и, таким образом, имеющие прямой контакт с электросетью, опасны — можно получить электрический удар.

Рис. 4 Схемы однополупериодного выпрямителя.

Рис. 5 Двухполупериодный выпрямитель с трансформатором.

Оба эти недостатка устранены в выпрямителе с трансформатором (рис. 5). Здесь выпрямляется не напряжение электросети, а напряжение вторичной (II) обмотки сетевого трансформатора Т. Поскольку эта обмотка изолирована от первичной сетевой обмотки I, радиоконструкция не имеет контакта с сетью и к ней можно подключать заземление. В выпрямителе на (рис. 5) четыре диода, включенные по так называемой мостовой схеме. Диоды являются плечами выпрямительного моста. Нагрузка Rн включена в диагональ 1 — 2 моста. В таком выпрямителе в течение каждого полупериода работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов. Постарайтесь вникнуть и запомнить классическую схему диодного моста! Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки положительный полупериод напряжения, ток идет через диод V2, нагрузку Rн, диод V3 к нижнему выводу обмотки II (график а). Диоды V1 и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем выводе обмотки II, ток идет через диод V4, нагрузку Rн, диод V1 к верхнему выводу обмотки (график б). В это время диоды V2 и V3 закрыты и, естественно, ток через себя не пропускают. И вот результаты: меняются знаки напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными. Эффективность работы двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным налицо: частота пульсаций выпрямленного тока удвоилась, «провалы» между импульсами уменьшились. Среднее значение напряжения постоянного тока на выходе такого выпрямителя равно примерно переменному напряжению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора. А если выпрямитель дополнить фильтром, сглаживающим пульсации выпрямленного тока, выходное напряжение увеличится в 1,4 раза, т. е. примерно на 40%. Именно такой выпрямитель я позже буду рекомендовать вам для питания транзисторных конструкций. Теперь о точечном диоде. Внешний вид одного из таких приборов и его устройство (в значительно увеличенном виде) показаны на (рис. 6). Это диод серии Д9. Буква «Д» в его маркировке означает диод, а цифра 9 — порядковый заводской номер конструкции. Выпрямительным элементом диода служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм квадратных) пластина полупроводника германия или кремния типа n и вольфрамовая проволочка, упирающаяся острым концом в пластину. Они припаяны к отрезкам посеребренной проволоки длиной примерно по 50 мм, являющимися выводами диода. Вся конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов. После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластиной полупроводника и острием вольфрамовой проволочки ток определенного значения. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной электропроводностью. Получается электронно — дырочный переход, обладающий односторонней проводимостью тока. Пластина полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка — анодом точечного диода.

Рис. 6 Схематическое устройство и внешний вид точечного диода серии Д9.

Вывод анода диодов серии Д9 обозначают цветными метками на их корпусах. Электроды точечного диода серии Д2 обозначают символом диода на одном из его ленточных выводов. У точечного диода площадь соприкосновения острия проволочки с поверхностью пластины полупроводника чрезвычайно мала — не более 50мкм. Поэтому токи, которые точечные диоды могут выпрямлять в течение продолжительного времени, малы. Точечные диоды радиолюбители используют в основном для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами. Как для плоскостных, так и для точечных диодов существуют максимально допустимые значения прямого и обратного токов, зависящие от прямого и обратного напряжений и определяющие их выпрямительные свойства и электрическую прочность. Это их основные параметры. Плоскостной диод Д226В, например, может продолжительное время выпрямлять ток до 300 мА. Но если его включить в цепь, потребляющую ток более 300 мА, он будет нагреваться, что неизбежно приведет к тепловому пробою р — n перехода и выходу диода из строя. Диод будет пробит и в том случае, если он окажется в цепи, в которой на него будет подаваться обратное напряжение более чем 400 В. Допустимый выпрямленный ток для точечного диода Д9А 65 мА, а допустимое обратное напряжение 10 В. Основные параметры полупроводниковых диодов указывают в их паспортах и справочных таблицах. Превышение предельных значений приводит к выходу приборов из строя. Основные параметры наиболее распространенных точечных и плоскостных полупроводниковых диодов можно найти здесь.

Стабилитрон и его применение

Стабилитрон это тоже диод, но предназначен он не для выпрямления переменного тока, хотя и может выполнять такую функцию, а для стабилизации, т.е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. Внешний вид одной из конструкций наиболее распространенных среди радиолюбителей стабилитронов и его графическое обозначение показаны на (рис. 8). По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом участке вольт — амперной характеристики, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на обратной ветви вольт — амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона вам поможет его вольт — амперная характеристика, показанная на (рис. 9, а). Здесь (как и на рис. 2) по горизонтальной оси отложены в некотором масштабе обратное напряжение Uобр., а по вертикальной оси вниз — обратный ток Iобр. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с отрицательным полюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток Iобр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень медленно — характеристика идет почти параллельно оси Uобр. Но при некотором напряжении Uобр. (на рис. 9, а — около 8 В) р — n переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт — амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр. Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой же р — n перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторого допустимого значения.

Рис. 8 Стабилитрон и его графическое обозначение на схемах.

Рис. 9 Вольт — амперная характеристика стабилитрона (а) и схема параметрического стабилизатора напряжения (б).

На (рис. 9 ,б) приведена схема возможного практического применения стабилитрона. Это так называемый параметрический стабилизатор напряжения. При таком включении через стабилизатор V течет обратный ток Iобр., создающийся источником питания, напряжение которого может изменяться в значительных пределах. Под действием этого напряжения ток Iобр., текущий через стабилитрон, тоже изменяется, а напряжение на нем, а значит, и на подключенной к нему нагрузке Rн остается практически неизменным — стабильным. Резистор R ограничивает максимально допустимый ток, текущий через стабилитрон. Со стабилизаторами напряжения вам неоднократно придется иметь дело на практике. Вот наиболее важные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст., ток стабилизации Iст., минимальный ток стабилизации Icт.min и максимальный ток стабилизации Icт.max. Параметр Uст. — это то напряжение, которое создается между выводами стабилизатора в рабочем режиме. Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до 180 В. Минимальный ток стабилизации Iст. min — это наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме пробоя (на рис. 9, а — штриховая линия Iст.min), с уменьшением этого тока прибор перестает стабилизировать напряжение. Максимально допустимый ток стабилизации Iст.max — это наибольший ток через прибор (не путайте с током, текущим в цепи, питающейся от стабилизатора напряжения), при котором температура его р — n перехода не превышает допустимой (на рис. 9, а — штриховая линия Icт.max) — Превышение тока Iст.max ведёт к тепловому пробою р — n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя. Основные параметры некоторых стабилитронов, наиболее часто используемых в радиолюбительских конструкциях, приведены здесь. В сетевом блоке питания, например, который предлагается в разделе «Схемы начинающим», будет использован стабилитрон Д814. Напряжение его стабилизации (при Iст.max 5 мА) может быть от 11,5 до 14 В, Iст.min ЗмА, Iст.max=20мА, максимальная рассеиваемая мощность, к примеру будет составлять Pmax = 11,5B * 20mA = 230мВт.

Для лучшего понимания материала данного урока и чтобы лучше закрепить в памяти ваше представление о свойствах диодов, предлагаю провести такой опыт. В электрическую цепь, составленную из батареи 3336Л (в народе называю квадратной батареей) или кроны, лампочки накаливания, рассчитанной на напряжение 3,5 В или 6.3 В если это крона и ток накала 0,28 А, включите любой Диод из серии Д7, Д226, КД226, КД220, и др. так, чтобы анод диода был соединен непосредственно или через лампочку с положительным выводом батареи, а катод — с отрицательным выводом (рис. а). Лампочка должна гореть почти так же, как если бы диода небыло в цепи. Измените порядок включения электродов диода в цепь на обратный (рис. б). Теперь лампочка гореть не должна. А если горит, значит, диод оказался с пробитым р — n переходом. Такой диод можно разломать, чтобы посмотреть, как он устроен, — для работы как выпрямитель он все равно непригоден. Но, надеюсь, диод был хорошим и опыт удался. Почему при первом включении диода в цепь лампочка горела, а при втором не горела? В первом случае диод был открыт, так как на него подавалось прямое напряжение Uпp., сопротивление диода было мало и через него протекал прямой ток Iпр., значение которого определялось нагрузкой цепи — лампочкой. Во втором случае диод был закрыт, так как к нему прикладывалось обратное напряжение Uобр., равное напряжению батареи. Сопротивление диода было очень большое, и в цепи тек лишь незначительный обратный ток Iобр., который не мог накалить нить лампочки. В этом опыте лампочка выполняла двоякую функцию. Она, во — первых, была индикатором наличия тока в цепи, а во — вторых, ограничивала ток в цепи до 0,28 А и таким образом защищала диод от перегрузки.

Вольт — амперная характеристика реального диода

Обратная ветвь вольт — амперной характеристики: На рисунках показаны основные составляющие обратного тока реального кремниевого и германиевого диодов причем масштабы рисунков различны поскольку ток I o германиевом диоде на несколько порядков больше, чем в кремниевом .

Прямая ветвь вольт — амперной характеристики: Величина прямого тока в диоде должна зависеть от напряжения экспоненциально. Однако реальные характеристики отличаются от экспоненты по ряду причин. Ввиду резкой зависимости прямого тока от напряжения ВАХ обычно описывают беря ток I в качестве аргумента:

Отсюда видно, что напряжение U, соответствующее некоторому заданному значению прямого тока I тем больше, чем меньше обратный ток I 0 .У кремниевых диодов, ток I 0 которых значительно меньше, чем у германиевых, начальный участок прямой ветви очень пологий.

Отсюда видно, что напряжение U, соответствующее некоторому заданному значению прямого тока I тем больше, чем меньше обратный ток I 0 .У кремниевых диодов, ток I 0 которых значительно меньше, чем у германиевых, начальный участок прямой ветви очень пологий.

На этом участке ток I у кремниевых диодов определяется в основном процессами рекомбинации носителей в переходе, которые при U > 0 преобладают над процессами тепловой генерации. Изменяется также вид вольт — амперной характеристики в зависимости от площади перехода S, с её увеличением растет тепловой ток, а следовательно, и пямая ветвь характеристики идет круче. Существенное влияние на ход зависимости оказывает омическое сопротивление базового слоя. Падение напряжения на нём выражается:, учитывая это падение напряжения зависмость напряжения от тока запишем в виде:

Начальный участок прямой ветви ВАХ во всех диодах отличается от кривой соответствующей идеализированному переходу. В германиевых диодах наклон кривой оределяется в основном значением теплового тока, а в кркмниевых диодах — током рекомбинации. Резкий рост прямого тока у германиевых диодов начинается, как правило, при меньших значениях прямого напряжения.

В начале крутого участка характеристика близка к экспоненциальной; здесь основную роль играет диффузия инжектированных в базу носителей (низкий уровень инжекции). В дальнейшем все больше сказывается влияние объёмного сопротивления базы и других процессов. Характер ВАХ существенно различен для германиевых и кремниевых диодов, для диодов с толстой и тонкой базой и д.р.

Изменение вольт — амперной характиристики с температурой: Для полупроводниковых приборов и, в частности, диодов эта зависимость весьма существенна. На рисунке показаны зависимости ВАХ диодов в зависимости от температуры.

И тепловой I 0 и ток I g пар зарядов в переходе определяющие обратную ветвь характеристики для германиевых и кремниевых диодов соответственно, увеличиваются с температуру по закону:

Обратный ток с увеличением температуры увеличивается на каждые 10 градусов в два раза в Ge диодах и в 2.5 раза в Si диодах.

Для оценки температурной зависимости прямой ветви характеристики используется специальная величина — температурный коэффициент напряжения, показывающий изменение прямого напряжения за счёт изменения температуры на один градус при постоянном значении прямого тока. Температурный коэффициент напряжения для Si и Ge диодов приближённо равен -2 мВ/с.

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости р-n-перехода от обратного напряжения.

Таким образом, варикап можно рассматривать как конденсатор, емкость которого можно регулировать при помощи электрического сигнала. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом обратном напряжении. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается. На рис. 2.18 показана зависимость емкости варикапа КВ126А-5 от приложенного напряжения.

Рис. 2.18. Варикап КВ126А-5: а – вольт-амперная характеристика; б – конструкция; в – условное графическое изображение варикапов

Основные параметры варикапов:

Номинальная ёмкость – ёмкость между выводами, измеренная при заданном обратном напряжении;

Добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной ёмкости или обратном напряжении;

Коэффициент перекрытия по ёмкости – отношение максимальной ёмкости варикапа к его минимальной ёмкости при двух заданных значениях обратного напряжения.

Температурный коэффициент ёмкости – относительное изменение ёмкости варикапа, приходящееся на один градус изменения температуры окружающей среды:.

Тиристоры и симисторы – это ключевые полупроводниковые элементы, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний – проводящем (открытом) и непроводящем (закрытом). Перевод из непроводящего в проводящее состояние осуществляется относительно слабым постоянным или импульсным сигналом.

Эти свойства обуславливают основное предназначение тиристоров и симисторов как ключевых элементов для коммутации токов в нагрузке. В отличие от контактных коммутаторов – электромеханических реле, пускателей и контакторов – тиристоры и симисторы осуществляют бесконтактную коммутацию тока в нагрузке со всеми вытекающими из этого положительными последствиями.

Тиристоры в открытом состоянии проводят ток только в одном направлении, симисторы – в двух. Таким образом, один симистор может заменить два встречно-параллельно включенных тиристора. Поэтому решения на симисторах представляются более экономичными.

Контактная и бесконтактная коммутация тока

Прежде чем переходить к рассмотрению принципов работы тиристоров и симисторов и их основных характеристик, сравним контактные (электромеханические реле, пускатели, контакторы) и бесконтактные (тиристоры и симисторы) способы коммутации тока, преимущества и недостатки каждого из них.

Ресурс, количество переключений

Количество переключений полупроводниковых коммутаторов практически неограниченно. Долговечность полупроводников определяется перепадами рабочих температур: количеством циклов и их амплитудой.

Реле, а тем более электромагнитные пускатели, имеют ограниченный ресурс переключений. Различают механический ресурс (механическую износостойкость в отсутствие тока через контакты), который у современных реле составляет 1-2 миллиона переключений, и коммутационную износостойкость при максимальной нагрузке, которая в 10-100 раз ниже. Для оценки укажем, что при непрерывной работе и периоде переключений 10 с, ресурс вырабатывается через 2 недели, при периоде переключений 5 мин – через 1 год. Отсюда сразу следует, что применение контактных коммутаторов оправдано только при редких коммутациях нагрузки (с периодов больше 10 мин).

Частота коммутации

Полупроводниковые коммутаторы допускают коммутацию нагрузки на каждом полупериоде сетевого напряжения.

Примечание: В специальных схемотехнических решениях, в которых применяется принудительное закрытие элементов, частота коммутации может быть еще выше.

У электромеханических устройств, помимо количества циклов переключений, есть и еще одно важное негативное свойство – низкая частота коммутаций цепи нагрузки. Она определяется и механическими свойствами реле и тем, что при возрастании частоты коммутаций реле начинает перегреваться. Выше отмечалось, что при необходимости осуществлять коммутацию электромеханическими устройствами с малыми периодами, срок службы этих устройств будет невелик.

Кроме того, механика – это движущиеся части. А движущиеся части всегда являются источником повышенного риска: истирание осей, увеличение люфта, общее расшатывание механизма вплоть до потери функциональности и т. д.

Искрообразование

Бесконтактные коммутаторы по определению не искрят.

Коммутация при помощи электромеханических устройств неизбежно сопровождается искрообразованием, которое, с одной стороны, приводит к обгоранию контактов и снижению ресурса, а с другой, вызывает сильные высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут приводить к сбоям в работе измерительных и микропроцессорных приборов.

Электромагнитные помехи

Для того, чтобы не создавать электромагнитные помехи, возникающие при коммутации сильных токов (проводники с быстро меняющимся током работают как обычные антенны), желательно коммутацию производить в моменты времени, когда эти токи минимальны (в идеале равны нулю). Полупроводниковые коммутаторы, благодаря возможности управления моментом переключения, позволяют применять решения, в которых коммутация производится в моменты нулевого тока в сети.

Контактная коммутация, как правило, осуществляется в произвольные моменты времени, а значит, и в моменты максимальных значений токов. Соответственно, контактная коммутация сопровождается сильными электромагнитными помехами. В результате устойчивость работы контрольно-измерительных систем снижается.

Потери на коммутирующем элементе

Падение напряжения на открытом симисторе составляет 1-2 В и мало зависит от протекающего тока. Как следствие, на открытом симисторе выделяется относительно большая мощность. Например, при токе 40 А на симисторе выделяется 40-80 Вт тепла, которые необходимо отвести. Для этого применяются радиаторы. Это обстоятельство является самым серьёзным недостатком бесконтактных коммутаторов, так как требует дополнительное место для радиатора и удорожает решение.

На контактах реле и пускателей также выделяется определенная мощность, но она меньше, чем у симисторов. Однако, следует иметь в виду, что по мере обгорания контактов выделяемое тепло возрастает. Для борьбы с этим явлением требуется регулярная зачистка контактов или замена всего устройства. Всё это приводит к росту эксплуатационных расходов. Кроме того, необходимо учитывать выделение тепла за счёт прохождения тока через обмотку во включенном состоянии коммутатора.

Экономические соображения

Рассматривая целесообразность применения контактного или бесконтактного способа коммутации, необходимо, помимо сугубо технических преимуществ того или иного способа, учесть следующие экономические соображения.

С одной стороны, контактные коммутаторы, как правило, значительно дешевле бесконтактных устройств, особенно в совокупности с радиаторами.

С другой стороны, ресурс бесконтактных коммутаторов практически неограничен, обслуживание устройств не требуется. Контактные коммутаторы имеют ограниченный ресурс, требуют проведения регламентных работ и регулярной замены в течение срока службы. Как следствие, эксплуатационные расходы растут, а надёжность систем, в которых применяются контактные коммутаторы с малыми периодами переключения, снижается.

Принцип работы

Тиристоры и симисторы относятся к семейству полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в полупроводниковой пластине смежных слоёв с разными типами проводимости.

Как отмечалось выше, упрощенно симистор представляет собой два тиристора, подключенных параллельно навстречу друг другу. Поэтому для простоты принцип действия поясним на примере тиристора. Каждый тиристор – это прибор с четырёхслойной структурой p-n-p-n. Схематически тиристор обозначен на рис. 1.

Крайняя область p-структуры, к которой подключается положительный полюс источника напряжения, называется анодом (А), крайняя область n-типа, к которой подключается отрицательный полюс источника – катодом (К). Вывод от внутренней области – p-управляющим электродом.

На рис. 2 изображена модель тиристора в виде схемы с двумя транзисторами с различными типами проводимости. База и коллектор транзистора VT1 соединяются соответственно с коллектором и базой транзистора VT2. В результате, база каждого транзистора питается коллекторным током другого транзистора. В схеме образуется цепь положительной обратной связи.

Если ток Iу через управляющий электрод отсутствует, то оба транзистора закрыты и ток через нагрузку не течёт – тиристор закрыт. Если подать ток Iу больше определенного уровня, то в схеме за счёт положительной обратной связи начинается лавинообразный процесс и оба транзистора открываются – тиристор открывается и остаётся в этом стабильном состоянии, даже если ток Iу больше не подавать.

Таким образом, тиристором можно управлять как постоянным током, так и импульсным. Для того, чтобы тиристор перевести в непроводящее состояние, необходимо снизить ток через него до такого уровня, при котором обратная связь не может больше удерживать схему в стабильном открытом состоянии. Это так называемый ток удержания.

Вольт-амперные характеристики тиристора и симистора

Сначала рассмотрим типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ) тиристора, изображенную на рис. 3.

По горизонтальной оси отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикальной – протекающий через прибор ток.

Изменяемым параметром семейства характеристик является значение тока Iу в цепи управляющего электрода.

На ВАХ тиристора можно выделить четыре характерных участка, отмеченных на рис. 3 латинскими буквами ABCDE. Дополнительно на рис. 3 показаны нагрузочные прямые I, II, III для различных напряжений сети.

Участок AB соответствует обратной характеристике, когда к аноду тиристора приложено отрицательное напряжение относительно катода. При разомкнутой цепи управления или отсутствии в ней тока (Iу=0) обратная характеристика тиристора аналогична обратной ВАХ полупроводникового диода. В рабочем диапазоне напряжений UЗС от 0 до максимального рабочего, называемого обратным повторяющимся напряжением Uповт, обр max, через прибор протекает очень малый, порядка долей миллиампера, ток (рабочая точка 1).

Прямая ветвь тиристора изображена в первом квадранте системы координат. Она соответствует такой полярности напряжения, когда к аноду приложено положительное относительно катода напряжение.

На отрезке BC вплоть до напряжения переключения Uповт, Пр max тиристор с нулевым управляющим током закрыт и ток через него не превышает 5-15 мА (рабочая точка 2). Переход в открытое состояние (в рабочую точку 3 на участке DE) возможен двумя способами. Первый способ – повышение напряжения на тиристоре, так что рабочая точка доходит до точки С. В этом случае рабочая точка скачкообразно переходит на участок DE. Такой режим включения тиристора применяется редко. Традиционным способом открытия тиристора является подача управляющего тока. В результате кривая BCD на ВАХ спрямляется и рабочая точка также попадает на участок DE, соответствующий открытому состоянию тиристора.

Семейство вольт-амперных характеристик при разных управляющих токах показывает, что при различных напряжениях на тиристоре требуется подача различных токов управления для включения тиристора: малые управляющие токи при больших напряжениях и большие токи при малых напряжениях. При управляющем токе, равном IУЗ, прямая ветвь ВАХ тиристора также совпадает с ВАХ полупроводникового диода.

Отметим, что участок DC характеризует неустойчивое состояние тиристора. Эта область носит название участка с отрицательным электрическим сопротивлением. Из него тиристор всегда переходит в открытое состояние с низким электрическим сопротивлением (на участок DE).

Рабочий участок DE соответствует открытому состоянию симистора и характеризуется малым падением напряжения на приборе Uос при большом токе Ioс.

Эта область характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода. Напряжение Uос в зависимости от свойств полупроводниковой структуры равно 1-2 В и слабо зависит от величины протекающего тока Ioс. На переходе тиристора выделяется мощность, которую можно оценить величиной (1…2) · Ioс. После падения тока, проходящего через тиристор, ниже значения тока удержания Iуд, тиристор закрывается.

Собственно, в этом и заключается самое полезное свойство тиристора, симистора и других приборов с отрицательным обратным сопротивлением: переключенные в состояние с малым сопротивлением, они остаются в этом состоянии сколь угодно долго, даже после снятия управляющего сигнала, вплоть до падения тока нагрузки ниже тока удержания. Это позволяет управлять симисторами и тиристорами короткими импульсами управляющего напряжения.

Вольт-амперная характеристика симистора очень похожа на ВАХ тиристора, но, поскольку для симистора не существует прямого и обратного направления включения, то кривая симметрична относительно центра координат. Каждая из половин этой кривой напоминает кривую включения тиристора в прямом направлении.

Одним из факторов, делающих симистор более удачным устройством для коммутации переменного тока, чем тиристор, является то, что прибор имеет одинаковые свойства при протекании по нему тока в любом из направлений. Как и тиристор, симистор выключается при токе через него, стремящемся к 0. Это снижает индукционные и другие наведённые токи и помехи в сети, вызываемые отключением питания при высоком напряжении.

Сигналы управления

Несмотря на то, что на тиристорах и симисторах могут присутствовать напряжения различной полярности, для этих полупроводниковых приборов предпочтительным является такая полярность управляющего напряжения, которая совпадает с полярностью напряжения на аноде.

Таким образом, для обеспечения гарантированной работоспособности и наибольшей эффективности, управляющий сигнал должен менять свою полярность на каждой полуволне переменного тока нагрузки. Соответственно, система управления симистором должна «уметь» менять полярность управляющего сигнала в зависимости от направления движения коммутируемого тока.

При формировании сигнала управления надо иметь виду, что он должен иметь некоторую конечную длительность, большую, чем tимп. мин.. Если сигнал управления короче, чем tимп. мин., то симистор может не успеть перейти в стабильное открытое состояние и вернуться в исходное закрытое состояние. Обычно tимп. принимают равным 50 мкс. Этого достаточно для включения большинства симисторов.

Основные параметры симисторов

Сразу заметим, что все характеристики симисторов сильно зависят от рабочей температуры p-n-p-n-структуры. Как правило, указываются два значения – при температуре 25-30 °С и на верхнем пределе рабочего диапазона. Значения параметров в промежуточных точках вычисляют по линейному закону. Для симисторных блоков производства КонтрАвт указываются значения параметров для 30 °С и 50 °С.

Сильное тепловыделение вызвано тем, что на полностью открытом симисторе в рабочем диапазоне всегда сохраняется падение напряжения около 1-2 В, независимо от тока нагрузки. На рис. 3 оно соответствует величине Uос. Таким образом, симистор всегда должен рассеивать мощность в окружающую среду. Как уже отмечалось, при токе нагрузки 40 А симистор должен рассеивать порядка 60-80 Вт, оставаясь при этом в рабочем диапазоне температур. Поэтому симистор, в отличие от реле и других электромеханических коммутационных устройств, немыслим без радиатора, тем большего, чем большую мощность он коммутирует.

Параметры открытого состояния

Тиристоры и симисторы в открытом состоянии характеризуются напряжением Uос, равным 1-2 В и практически независящим от тока открытого состояния.

Максимально допустимый действующий ток Iос, д характеризует коммутационную способность полупроводникового элемента. Максимально допустимый действующий ток Iос, д и ударный ток Iос, уд (короткодействующий импульс большой силы тока, действующий не более 20-50 мс) также зависят от температуры корпуса симистора. Следует отметить, что ударный ток Iос, уд может превышать максимально допустимый действующий ток Iос, д в несколько раз. Это обстоятельство следует учитывать при расчете различных схем защиты полупроводниковых устройств от короткого замыкания.

Еще один важный параметр – ток удержания Iуд – минимальный ток нагрузки, до которого симистор сохраняет своё открытое состояние. После падения тока нагрузки ниже этого значения симистор закроется.

Параметры закрытого состояния

В закрытом состоянии симистор не коммутирует нагрузку, пока напряжение на силовых электродах не превысит Uповт, пр. max (рис. 3). После превышения этого напряжения симистор переключается в открытое состояние. Этот параметр чрезвычайно важен при коммутации цепей с высокими помехами или индуктивными нагрузками. Например, при выключении симистором питания индуктивной нагрузки большой мощности в ней возникает ЭДС самоиндукции с высоким напряжением. Если это напряжение превысит Uповт, пр. max, то возможно неуправляемое открытие симистора. Поэтому такие цепи обычно шунтируют RC-цепочками, фильтрующими соответствующие выбросы.

Также важен параметр UЗС – синусоидальное «безопасное» напряжение, при котором самопроизвольное (Iу=0) включение невозможно.

Существует еще один случай самопроизвольного включения симистора в закрытом состоянии. Это может произойти, когда скорость возрастания коммутационного напряжения превысит некую критическую величину (dU/dt)ком. Этот нежелательный эффект обусловлен емкостным током в центральном переходе p-n-p-n структуры. При высоких скоростях нарастания тока на паразитной ёмкости p-n-перехода управляющего электрода успевает скапливаться заряд, достаточный для включения симистора.

Это явление следует учитывать при каскадном включении нескольких симисторов, используемом для повышения нагрузочной способности схемы. Если основной коммутирующий элемент является очень быстродействующим, то его выключение в цепях с индуктивностью может вызвать настолько быстрые изменения напряжения, которые в свою очередь вызывают ложные срабатывания маломощных управляющих симисторов. В результате схема «не может» выключиться даже при отсутствии сигнала управления.

Параметры управления

Отпирающий постоянный ток управления Iу, отп (на рис. 3 обозначен как I3) характеризует минимальное значение управляющего тока, при котором симистор полностью открывается.

Отпирающее постоянное напряжение управления Uу, от – напряжение, формирующее Iу, отп, т. е. напряжение управления, при котором симистор гарантированно переходит в открытое состояние.

Неотпирающее постоянное напряжение управления Uу, Нот – напряжение, до которого симистор гарантированно находится в закрытом состоянии. Этот параметр чрезвычайно важен при использовании симистора в цепях с высоким уровнем помех. Если помеха превысит данный параметр, то симистор может открыться. Один из вариантов таких помех обсуждался выше – индуктивность в цепи.

Один из важнейших параметров – время включения (tвкл) – определяет интервал времени, в течение которого симистор переключается из закрытого состояния в полностью открытое при наличии отпирающего импульса управления (≥Uу, отп). Фактически он определяет минимальную длительность сигнала управления, необходимую для гарантированного включения.

(dIос/dt)кр – критическая скорость нарастания тока в момент открытия симистора. Если в цепи скорость нарастания тока превышает максимально допустимую, то происходит эффект разрушения структуры. Он обусловлен тем, что физически управляющий электрод занимает значительно меньшую площадь на кристалле. При включении ток управления распределяется по кристаллу неравномерно и обеспечивает открытие не всей площади p-n-переходов под силовыми электродами. На низких скоростях возрастания тока p-n-переход успевает полностью открыться, а на высоких – сказывается собственное объёмное сопротивление и ёмкость p-n-переходов.

Тепловые параметры

TП(МАХ) и TП(МIN) – максимальная и минимальная температура перехода особенных пояснений не требуют. У современных приборов температура перехода может достигать 125 °С. Однако при работе на переходе выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить. Способность приборов отводить тепло характеризуется такими параметрами как тепловое сопротивление. Различают тепловое сопротивление контакта переход-корпус и тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель.

RТ(П-К) – тепловое сопротивление контакта переход-корпус определяет способность симистора передавать тепло от полупроводника на свой корпус. Параметр RТ(П-К) – тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель – определяет размеры и характеристики радиатора, требуемого на отвод тепла, выделяемого при коммутации заданной мощности.

В результате прибор, установленный на радиатор, допускает нормальную эксплуатацию при температурах значительно ниже, чем допустимая температура перехода. В частности, рабочая температура симисторных блоков производства КонтрАвт ограничена 50 °С.

В заключение приведем сравнительную таблицу с указанием основных характеристик, о которых шла речь в данной статье. Данные приведены для трёх широко применяемых симисторов, которые различаются допустимыми токами коммутации. Представленные сведения позволяют получить представления о характерных значениях параметров симисторов.

О схемотехнике и наиболее рапространённых вариантах использования симисторов мы расскажем в следующем номере.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода

Что такое идеальный диод?

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Вот так это выглядит на графике:

Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

Какие диоды используют для генерации электрических колебаний

Полупроводниковый диод самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 1.2.1)

Рисунок 1.2.1 Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения (Рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Теперь рассмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду (рисунок 1.2.3)

Рисунок 1.2.3 Обратное включение диода

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода.

Меняем полярность источника питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое включения диода

В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электронам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости рn-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

• прямой ток диода I_пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно U_пр=1…2В);
• максимально допустимый прямой ток I_пр.мах диода;
• максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр.мах}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
• постоянный обратной ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном U_{обр.мах};
• средний выпрямленный ток I_вп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
• максимально допустимая мощность P_мах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода представлена на рисунке 1.2.1.1

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода: а−германиевый диод; б−кремниевый диод

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет U_пр=0,3…0,6В, у кремниевых диодов U_пр=0,8…1,2В.

Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера рn- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через рn-переход. При повышении температуры рn-перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) рn-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) U_проб. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

1.2.2 Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на рn-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на рn-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостной переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

• Напряжение стабилизации U_ст (U_ст=1…1000В);
• минимальный I_ст.міn и максимальный I_ст.мах токи стабилизации (I_ст.міn»1,0…10мА, I_ст.мах»0,05…2,0А);
• максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_мах;
• дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Рисунок 1.2.2.1 Условно графическое обозначение стабилитрона а) не симметричный стабилитрон б) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 +…

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий рn-переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Основные параметры туннельных диодов:

• Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ;
• ток впадины I_в − прямой ток в точке минимума ВАХ;
• отношение токов туннельного диода I_п/I_в;
• напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
• напряжение впадины U_в − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.3.1

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО

1.2.4 Обращенный диод

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина рn-перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через рn-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р-области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.4.1

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обращенного диода и УГО

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

• номинальная емкость С_в– емкость при заданном обратном напряжении (С_в=10…500 пФ);
• коэффициент перекрытия по емкости (отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.)

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 представлена вольт-амперная характеристика варикапа и его УГО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и УГО

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий рп—переход. Свечение рn-перехода вызвано рекомбинацией носителей заряда. При подаче прямого напряжения электроны из n-области проникают в p-область, где рекомбинируют с дырками и излучают освободившуюся энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия. Свечение может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основными параметрами светодиодов являются:

• Р_излуч – полная мощность излучения (до 100 мВт).
• U_np – постоянное прямое напряжение (порядка единиц вольт) при — const.
• I_пр. – постоянный прямой ток (до 110 мА).
• Цвет свечения.

Прямая ветвь ВАХ светодиода и его условное обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1

Рисунок 1.2.6.1 ВАХ светодиода и его УГО

Светодиоды применяют в устройствах визуального отображения информации.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп—переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.