VYPRYaMITEL_NYE_DIODY
.docxВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ. КРЕМНИЕВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ
Цель: ознакомить курсантов с конструкцией выпрямительных диодов и стабилитронов различных типов. Рассмотреть способы включения приборов в электрическую схему. Изучить принцип работы, характеристики, параметры. Возможность практического применения. Обратить внимание на особенности Условных Графических Обозначений и систему маркировки.
План
-
Конструкция p-n-перехода сплавного и диффузного маломощных выпрямительных диодов. Конструкция мощных выпрямительных диодов.
-
Принцип работы выпрямительного диода, вольтамперная характеристика.
-
Параметры выпрямительных диодов. УГО. Схемы соединения.
-
Конструкция, принцип работы и схемы включения кремниевых стабилитронов.
-
Вольтамперная характеристика стабилитрона, параметры кремниевого стабилитрона. УГО.
-
Проверка работоспособности выпрямительных диодов и стабилитронов.
В выпрямителях переменного напряжения наибольшее применение находят германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды. Основными методами получения р-n переходов для выпрямительных диодов являются сплавление и диффузия.
Конструкция маломощного сплавного кремниевого диода показана на рис. 6.1. а. Электронно-дырочный переход образуется вплавлением алюминия в кремний. Пластинка кремния с р-n переходом припаивается к кристаллодержателю, являющемуся одновременно основанием корпуса диода. К кристаллодержателю приваривается корпус со стеклянным изолятором, через который проходит вывод алюминиевого электрода.
Риc. 6.1. Конструкция выпрямительных диодов:
а - сплавной маломощный кремниевый диод (1 - внешние выводы; 2 — кристаллодержатель;
3 - корпус; 4 -стеклянный изолятор; 5 - алюминиевая проволока; 6 - кристалл; 7- припой);
б - мощный выпрямительный диод (1 - внешние выводы; 2 - стеклянный изолятор; 3 - корпус;
4 - кристалл; 5 — припой; 6 - кристаллодержатель);
в— выпрямительный столб
В диффузионных диодах р-n переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала. Конструкции диффузионных и сплавных выпрямительных диодов аналогичны. Маломощные выпрямительные диоды имеют относительно небольшие габариты и массу и с помощью гибких выводов монтируются в схему. У мощных диодов кристаллодержатель представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (рис. 6.1, б). Между кристаллом и основанием обычно помещают пластинку из вольфрама или ковара, имеющую примерно такой же коэффициент линейного расширения, как и материал кристалла. Это способствует уменьшению механических напряжений в кристалле при изменении температуры.
Выпрямительные столбы представляют собой несколько специально подобранных диодов, соединенных последовательно и залитых эпоксидной смолой. Внешний вид и схематическое устройство типичного выпрямительного столба показаны на рис. 6.1, в.
Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве р-n перехода пропускать ток только в одном направлении.
Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольтамперная характеристика. Для сравнения на рисунке приведены типовые вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов может достигать 1500 В,
в то время как у германиевых оно лежит в пределах 100...400 В. Кремниевые диоды могут работать при температурах -60...+150°С, а германиевые — 60...-85 °С. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 °С резко увеличивается собственная проводимость германия, приводящая к недопустимому возрастанию обратного тока. Вместе с тем прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Это объясняется тем, что у германиевых диодов можно получить величину сопротивления в прямом направлении в 1,5—2 раза меньшую, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. Поэтому мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода, во столько же раз меньше. В связи с этим в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.
К основным стандартизированным параметрам выпрямительных диодов относятся:
Средний прямой ток IПР.СР - среднее за период значение прямого тока.
Максимально допустимый средний прямой ток IПР.СР.max.
Средний выпрямленный ток IВП.СР - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока).
Максимально допустимый средний выпрямленный ток – IВП.СР.max.
Постоянное прямое напряжение UПР. - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе.
Среднее прямое напряжение UПР.СР - среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем значении прямого тока.
Постоянное обратное напряжение UОБР - значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении.
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение - UОБР.max
Максимально допустимое импульсное обратное напряжение - UОБР.И.max
Постоянный обратный ток IОБР - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном, обратном напряжении.
Средний обратный ток IОБР,СР — среднее за период значение обратного тока.
При разработке выпрямительных схем может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рис. 6.3, а).
Для выравнивания токов, протекающих через диоды, последовательно с диодами включаются омические добавочные резисторы RДОБ порядка нескольких Ом. Это позволяет искусственно уравнять прямые сопротивления диодов, которые для разных образцов приборов могут быть существенно различными.
В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рис. 6.3, б). При таком соединении напряжение распределяется между всеми диодами.
Для обеспечения надежной работы диодов параллельно каждому из них следует включить резистор (порядка 100 кОм) для выравнивания обратных сопротивлений. В этом случае напряжения на всех диодах будут равными.
Кремниевые стабилитроны
Явление электрического пробоя, опасное для обычных диодов, находит полезное применение в кремниевых плоскостных диодах, получивших название кремниевых стабилитронов, или опорных диодов.
При изготовлении стабилитронов наиболее широко используются сплавной и диффузионно-сплавной методы получения р-n переходов. Исходным материалом при изготовлении стабилитрона служит пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Кристалл с р-n переходом помещается обычно в герметизированный металлический корпус (рис. 6.4).
Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратимому электрическому пробою р-n перехода.
Следует отметить, что эффект Зинера и лавинный механизм электрического пробоя
р-n перехода наблюдаются как у кремниевых, так и у германиевых диодов. Однако выделение тепла, сопровождающее эти процессы, приводит для германия к дополнительной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину лавинного пробоя. Поэтому в качестве материала для полупроводниковых стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.
Рис. 6.4. Конструкция
кремниевого стабилитрона:
1,8 — внешние выводы; 2 — трубка;
3 — изолятор; 4 — корпус;
5 — внутренний вывод;
6 — кристалл с переходом;
7 — кристаллодержатель
Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольтамперная характеристика (рис. 6.5). В прямом направлении вольтамперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения1.
Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в р-n переходе даже при значительных обратных токах, будет небольшой, что предохраняет р-n переход от теплового (необратимого) пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока стабилитрона приводит, как и в обычных диодах, к выходу прибора из строя.
1 Полупроводниковый стабилитрон, у которого областью стабилизации является прямая ветвь вольтамперной характеристики, называют стабистаром.
Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:
Напряжение стабилизации UCT - падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при поминальном значении тока.
Минимальный ток стабилизации ICT..min - такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.
Максимальный ток стабилизации ICT.max - наибольшее значение тока через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения.
Дифференциальное сопротивление rCT - отношение приращения напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации
rCT = ΔUCT/ΔUCT. (6.1)
Величина rCT характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока пробоя.
Максимальная мощность рассеивания Pmах - наибольшая мощность, выделяющаяся в р-n переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.
Температурный коэффициент напряжения стабилизации αст — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выражается в %/град)
ΑCT = ΔUCT /(UCT∙ΔT). (6.2)
Наиболее простая, но достаточно распространенная схема стабилизатора постоянного "напряжения на кремниевом стабилитроне приведена на рис. 6.6. Схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R0 и стабилитрона VD. При изменении питающего напряжения UBX напряжение на стабилитроне и на нагрузке RH изменяется незначительно, в чем и выражается стабилизирующее действие схемы.
Одна из возможных схем стабилизатора переменного напряжения на кремниевых стабилитронах приведена на рис. 6.7, а. Напряжение сети через трансформатор Т поступает в схему, состоящую из резистора R0 и встречно включенных стабилитронов VD1 и VD2. Переменное напряжение ограничивается на уровне напряжения стабилизации UCT стабилитронов VD1 и VD2. В результате этого на выходе получается напряжение UВЫХ трапецеидальной формы (рис. 6.7, б). При изменении величины входного напряжения амплитуда выходного напряжения остается постоянной, а действующее значение меняется незначительно (за счет некоторого изменения площади трапеций).
Более сложные схемы стабилизаторов напряжения рассматриваются в гл. 20.
Контрольные вопросы и упражнения
-
Пользуясь справочником [42], расшифруйте обозначения следующих полупроводниковых диодов:
1А401Б, КЛ104А, 2С447А, 2Д910В, АЛ102Г.1И403А, 2ВШ4Г, ГА501Ж,
ГД507А, АИ201И, ЗИ201Л, КС531В, КЦ403Г, Д226Е, КС680А, КД503Б, 2А202А, ФД-1.
-
Каким типам полупроводниковых диодов соответствуют условные графические обозначения, приведенные на рис. 6.25.
-
Какие из указанных полупроводниковых диодов целесообразно использовать в схемах выпрямителей?
Д818Г, ГД107Б, 2Д202В, 2Д918А, АИ101А, 2Б110Е, 2У102А, КВ104Б, КЦ405Г, 2С551 А.
-
Составьте схему для снятия вольтамперной характеристики полупроводникового диода типа 2Д202Д.
-
Можно ли в схеме рис. 6.3,6 для выравнивания обратных сопротивлений подключить параллельно каждому из диодов резисторы с сопротивлением 10 Ом?
-
Могут ли кремниевые стабилитроны работать в режиме теплового пробоя?
7. Объясните физический смысл основных параметров кремниевых стабили- тронов.
8. Для стабилизации напряжения используется кремниевый стабилитрон, напряжение стабилизации которого постоянно и равно U„ = 10 В. Определить допустимые пределы изменения питающего напряжения,
если Iстmах = 30мА; Iстmin= 1мА; RН = 1 кОм; R0 = 500Ом.
9. Какие требования предъявляются к высокочастотным диодам? Укажите правильный ответ:
-
высокое обратное напряжение;
-
диод должен быть плоскостным;
-
диод должен иметь минимальную емкость;
-
большой участок насыщения в области обратных напряжений;
-
большая мощность рассеяния.
-
Какими параметрами характеризуются импульсные диоды?
-
Укажите основную характеристику варикапа: 1) Iпр = f (Uпр); 2) Сб = f (Uобр); 3) Сдиф = f (Uпр); 4) Uобр = f (Сб); 5) Сдиф = f(Uобр).
-
Укажите примерное значение рабочей частоты туннельных диодов: 106 Гц; 1021 Гц; 1011 Гц; 103; Гц; 1016 Гц.
-
Составьте схему для снятия вольтамперной характеристики диода типа ЗИ301Г. Подберите необходимые измерительные приборы.
-
В каких электронных схемах используются туннельные диоды? Укажите правильный ответ:
-
в схемах генераторов;
-
в схемах выпрямителей;
-
для настройки колебательных контуров;
-
в схемах усилителей;
-
в переключающих схемах;
-
в схемах, реагирующих на изменение температуры.
-
-
Можно ли использовать свойства фотодиодов, если к нему подведено прямое напряжение?
-
Как работает фотодиод в вентильном режиме?
-
Составьте схемы фотореле с использованием фотодиодов.
-
Объясните механизм работы светодиодов.
-
Укажите возможности практического применения светодиодов.
-