5.7. Конструкция таблеточных диодов

В таком диоде выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. В отличие от диодов штыревой конструкции его не припаивают к основаниям, а прижимают к ним через вольфрамовые пластины при сборке на заводе. Прижимные контакты позволяют снизить механические напряжения, возникающие в элементе при резких изменениях температуры. В результате этого, а так же благодаря двухстороннему отводу тепла, повышается стойкость диодов к перегрузкам. Вентили таблеточной конструкции в отличии от вентилей штыревой конструкции не ввинчивают в охладители, а зажимают контактными поверхностями между двумя половинками охладителей, изолированными друг от друга и имеющими большую (развитую) поверхность охлаждения.

Выпрямительные установки тяговых подстанций и электроподвижного состава комплектуются в основном лавинными диодами. При применении лавинных диодов отпадает необходимость в применении специальных средств защиты диодов от перенапряжения и сами диоды могут быть выбраны с меньшим запасом по напряжению по сравнению с нелавинными, имеющими то же значение напряжения пробоя.

5.8. Стабилитрон

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стаби-лизации напряжения. Иногда стабилитрон называют опорным диодом, так как полученное от него стабильное напряжение в ряде случаев используется как эталонное.

По принципу работы и ВАХ стабилитрон аналогичен лавинному диоду.

Отличительной особенностью стабилитрона является наличие на обратной ветви ВАХ (рис. 5.3) области электрического пробоя p-n-перехода (участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.

Рис. 5.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При обратных токах, меньших чем I_{ст.макс} состояние пробоя не приводит к порче диода. При больших токах происходит недопустимый нагрев вентиля и он выходит из строя.

Чтобы лавинный пробой происходил равномерно по всей поверхности структуры, для изготовления стабилитронов используют кремний с высокой степенью очистки. Напряжение, при котором возникает пробой, зависит от ширины p-n-перехода и удельного сопротивления материала. Изменяя это сопротивление и параметры технологического процесса (температуру, степень насыщенности примесями и т.д.) можно получить различные значения напряжения стабилизации.

Примерами использования стабилитрона могут служить:

1. схема стабилизации постоянного напряжения (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема стабилизации постоянного напряжения

Стабилитрон VD включают параллельно нагрузке, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение.

На схеме R_огр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения U_вх увеличивается ток стабилизации I_ст и падение напряжения ∆U на резисторе R_огр. Напряжение на выходе U_вых, на стабилитроне и R_н, остается почти неизменным.

При изменении сопротивления нагрузки R_н происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется.

В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры. Для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают термистор R_т, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры.

2. датчик, реагирующий на изменение напряжения (рис. 5.5).

В системах автоматики стабилитрон часто используют в качестве датчика, реагирующего на изменение напряжения. Если входное напряжение U_вх возрастет выше определенного уровня, стабилитрон пробивается и через включенный последовательно с ним прибор (например, катушку реле), начинает протекать ток I, при этом подается сигнал на срабатывание соответствующих устройств.

Рис. 5.5. Датчик, реагирующий на изменение напряжения

К основным параметрам стабилитрона относятся:

1) напряжение стабилизации U_ст – соответствует значению в точке р (рабочая точка) на середине рабочего участка аб (рис. 5.3). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе стабилизации от 4000 до 100 мА;

2) минимальный I_ст.мин и максимально допустимый I_{ст.макс} токи стабилизации.

Значение I_ст.мин определяется необходимой устойчивостью работы, так как при I_обр  I_ст.мин лавинный пробой может быть неустойчивым. При значении I_обр  I_{ст.макс} происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя;

3) динамическое сопротивление стабилитрона r_т (r_дин) определяется по выражению:

(5.1)

Чем меньше r_т, тем лучше стабилизация;

4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется.

Температурный коэффициент напряжения определяется по выражению:

, [%/С]. (5.2)

Температурный коэффициент напряжения положителен для стабилитронов, работающих при высоких значениях напряжения (больше 5 В), и отрицателен для низковольтных стабилитронов (напряжение стабилизации меньше 51В). Это объясняется различием в механизме пробоя широких (на более высокие напряжения) и узких (низковольтных) p-n-переходов. В широких переходах имеет место лавинный пробой, а в узких – зеннеровский.

Рис. 5.6. Зависимость обратной ветви вольт-амперной характеристики

стабилитрона от температуры

При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов:

U_ст = U_ст1 + U_ст2 + ... + U_{ст n}. (5.3)

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично лавинным выпрямительным диодам.

Двухсторонние стабилитроны.

Эти приборы предназначены для ограничения напряжений на элементах электрических цепей и выполняет роль разрядников в электротехнических устройствах. Условное обозначение и конструктивное исполнение двухстороннего стабилитрона изображены на рис. 5.7 а, б соответственно. Прибор можно представить в виде двух встречно-включенных лавинных диодов со структурой p-n-p, имеющей два p-n-перехода. Технология изготовления прибора аналогична технологии изготовления лавинных диодов и обеспечивает получение на элементе двух защитных колец.

а б в

Рис. 5.7. Условное обозначение двухстороннего стабилитрона (а), его конструктивное исполнение (б) и воль-тамперная характеристика (в)

На рис. 5.7 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины (термокомпенсаторы), 2 – защитные кольца, 3 – области проводимости p-типа, 4 – область проводимости n-типа.

ВАХ двухстороннего стабилитрона (рис. 5.7, в) представляет сочетание двух обратных ветвей встречно-включенных лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат.

Максимальная энергия импульса, рассеиваемая двухсторонним стабилитроном, составляет 5-10 Дж, а уровень напряжения стабилизации (лавинообразования) – от 400 до 2500 В. Приборы могут работать при частоте до 5001Гц.

Двухсторонние стабилитроны подключают к двум точкам, между которыми действует напряжение, подлежащее ограничению. Их выпускают таблеточной и штыревой конструкции.