Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

21

Позисторы – это терморезисторы с большой величиной положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС). Скачек сопротивления в области ПТКС может составлять 5…7 порядков.

Важнейшей характеристикой позистора является зависимость сопротивления от температуры R = f(T) (рис. 1.7). Сопротивление позистора, в отличие от обычного терморезистора, определяется не только его температурой, но и величиной приложенного к нему напряжения. Вольт-амперная характеристика позистора для различных температур воздушной среды представлена на рис. 1.8.

Позисторы характеризуются теми же основными параметрами, что и обычные терморезисторы, кроме того, для них часто указывают положение интервала ПТКС на температурной шкале, величину максимального ТКС в %, кратность изменения сопротивления R в области ПТКС и так называемую температуру переключения, при которой сопротивление позистора увеличивается по сравнению с минимальным значением в заданное число раз.

Позисторы применяют в качестве чувствительных элементов датчиков систем регулирования температуры т тепловой защиты обмоток электрических машин от недопустимого перегрева. За счет высокого положительного ТКС позисторы эффективно работают в качестве автостабилизирующихся нагревательных элементов. На их основе изготавливают предельно простые по устройству и высоконадежные саморегулирующиеся термостаты и усилительнопреобразующие термостаты без каких-либо реле и дополнительных усилитель- но-преобразующих устройств. Широко используют позисторы в качестве автоматических переключающих устройств, в частности для размагничивания масок кинескопов цветных телевизоров.

Позисторы обычно изготавливают в виде относительно тонких дисков достаточно большого диаметра, что обеспечивает необходимое рассеяние теп-

22

ла. Основой для создания позисторов является керамика из титаната бария, в которую вводятся примеси редкоземельных элементов (лантана, цезия и др.) либо других элементов (ниобия, сурьмы, висмута, тантала), имеющих валентность больше чем у титана. У керамики с такой примесью резко уменьшается удельное сопротивление до 10…102 Ом×см и она начинает обладать полупроводниковыми свойствами. Резистивный слой позистора состоит из большого числа контактирующих между собой зерен или кристаллов полупроводникового титаната бария. Изменяя состав твердых растворов можно управлять положением области ПТКС на температурной шкале.

Для изготовления позистора кроме титаната бария используются другие сегнетоэлектрические материалы системы SrTiO3 с добавкой ниобида, системы PbTiO3 с добавкой лантана и др. Не только поликристаллические полупроводниковые материалы, но и монокристаллический кремний, германий используются для создания позисторов. Принцип действия монокристаллических позисторов основан на уменьшении подвижности носителей заряда при увеличении температуры в результате увеличения их рассеяния на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Монокристаллические позисторы можно изготовить с относительно малым разбросом параметров и характеристик по сравнению с поликристаллическими. Однако из-за меньшей стоимости и больших значений температурного коэффициента сопротивления поликристаллические позисторы нашли широкое применение.

1.2. Конденсаторы

Конденсаторы наравне с резисторами являются наиболее распространенными элементами электронных цепей. Конструктивно конденсатор представляет собой две обкладки, между которыми находится диэлектрик. Электрические характеристики и область применения конденсаторов зависят от типа диэлектрика между обкладками. Конденсаторы бывают как постоянной, так и переменной емкости. По способу изменения емкости конденсаторы бывают с механически и электрически управляемой емкостью.

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы постоянной емкости бывают: вакуумные, воздушные, с твердым неорганическим диэлектриком (слюдяные, керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, пленочные, стеклопленочные), с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные), электролитические (танталовые, титановые, алюминиевые).

Условное обозначение конденсаторов указано на рис. 1.9.

Конденсатор, как законченное устройство, обладает рядом паразитных параметров. Эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 1.10, где L – определяется конструкцией, размерами обкладок и ограничивает частотный диапазон их применения, Rиз – сопротивление изоляции, Rп – сопротивление потерь, под действием переменного поля изменяется состояние диэлектрика, на что происходит затрата мощности. Rп указывает на то, что напряжение и ток

23

реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол меньше 90° в частотном диапазоне, где индуктивностью можно пренебречь.

Для количественной оценки потерь вводят тангенс угла потерь tgδ = RnωC. Значение тангенса угла потерь зависит от вида диэлектрика, тем-

пературы и напряженности электрического поля. Он может изменяться с частотой и во времени. На практике для характеристики потерь пользуются поняти-

мощности к активной. Конденсаторы характеризуются номинальной и фактической емкостью. Номинальная емкость Сном указывается заводом-изготовителем, а фактическая Сф – определяется при данной температуре и частоте. Допустимое отклонение емкости задается в процентах

∆C = Cф −Сном 100% .

Сном

По точности и отклонению емкости от номинального значения конденсаторы разделяются на классы (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Деление конденсаторов на классы

Стабильность конденсатора определяется материалом диэлектрика и конструкцией. Изменение емкости в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ)

αс = TKЕ = dC 1 , dT Cот

где Т – температура, Сот – значение емкости при номинальной температуре.

24

ТКЕ может быть отрицательным, нулевым и положительным. Для обеспечения нулевого ТКЕ используют последовательное и параллельное соединения нескольких конденсаторов с разным знаком ТКЕ.

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения

β = dC 1 с dt C0 ,

где t – время, C0 – значение емкости непосредственно после изготовления. Часто стабильность конденсаторов в зависимости от времени характери-

зуется граничными значениями емкости.

При длительном воздействии напряжения возможен пробой диэлектрика. В твердом диэлектрике возможны следующие виды пробоев: электрический, ионизационный, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает при кратковременном приложении высокого напряжения. Свободным электронам в диэлектрике сообщаются большие скорости, и возможно их лавинное размножение. Напряжение пробоя зависит от температуры. В реальных условиях конденсаторы работают при рабочих напряжениях ниже пробивного. Поэтому электрический пробой диэлектрика не относится к основным факторам, определяющий его долговечность.

Ионизационный пробой обусловлен наличием остаточных воздушных включений в толщи диэлектрика или в прослойках между диэлектриком и обкладками. Даже при небольших напряжениях возникает большая напряженность электрического поля в создавшихся неоднородностях, что приводит к локальному пробою, разрушению диэлектрика и к образованию в диэлектрике областей с ухудшенными свойствами.

Тепловой пробой происходит при длительном воздействии напряжения на конденсаторе. Возрастают потери, из-за неоднородности диэлектрика в отдельных местах может возникать перегрев, ухудшаются диэлектрические свойства, и уменьшается напряжение пробоя.

Электрохимический пробой обусловлен электрохимическими процессами в диэлектрике при действии постоянного напряжения и повышенной температуры. Ионы в диэлектрике вступают во взаимосвязь с металлом обкладок, что приводит к образованию в толщи диэлектрика проводящих нитей и возникновению пробоя. Для избежания этого пробоя необходимо тщательно выбирать материалы обкладок и диэлектрик.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости, пьезоэлектрическими эффектами. Акустические шумы конденсатора обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.

25

1.2.1. Система условных обозначений конденсаторов

Условное обозначение конденсаторов может быть сокращенным и полным. Сокращенное условное обозначение состоит из букв и цифр. Первый элемент (буква или сочетание букв) – обозначает подкласс конденсатора: К – постоянной емкости; КТ – подстроечные; КП – переменной емкости; КС – конденсаторные сборки. Второй элемент – цифры, характеризующие тип диэлектрика и его группу. Третий элемент пишется через дефис и соответствует порядковому номеру разработки.

Например К10–48.

Полное обозначение включает сокращенное обозначение, после которого указывается номинальная емкость в единицах измерения (пФ, мкФ, Ф), допускаемое отклонение номинальной емкости, группа по температурной стабильности, шумы, климатическое исполнение и обозначение документации на поставку.

Например: К10–48–360 пФ±10% М47–НМ–В ОЖО 460.106 ТУ.

Кодированное обозначение номинальных емкостей состоит из трех или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква из русского или латинского алфавита означает множитель, соответствующий значению емкости, выраженной в фарадах. Буквы п (р), н (n), м (µ), и (m), ф (F) соответствуют множителям 10-12, 10-9, 10-6, 10-3, 1 для значений емкости, выраженной вфарадах.

Например: 2,2 пФ обозначается как 2р2; 1500 пФ – 1п5; 0,1 мкФ – µ1;

10мкФ – 10µ; 1Ф – 1F0.

1.2.2.Параметры постоянных конденсаторов

1.Номинальное значение емкости – емкость, значение которой указано в сопроводительной документации и обозначено на конденсаторе.

2.Допустимое отклонение емкости от номинального значения (в %).

3.Тангенс угла потерь или добротность.

4.Температурный коэффициент емкости ТКЕ.

5.Коэффициент старения конденсатора βС.

6.Сопротивление изоляции и ток утечки, которые характеризуют качество диэлектрика и используются при расчетах высокомегомных, времязадающих и слаботочных цепей. Наименьший ток утечки имеют танталовые конденсаторы.

7.Номинальное напряжение – зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов.

1.2.3. Конденсаторы переменной ёмкости

Конденсаторы переменной емкости по способу управления бывают механически или электрически управляемые. Подстроечные конденсаторы обычно имеют механическое управление и используются в процессе регулировки

26

аппаратуры. Так как емкость конденсатора пропорциональна площади обкладок, диэлектрической проницаемости и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками, то при механическом управлении изменяется взаимное перекрытие пластин. Одна обкладка выполняется в виде ротора, а вторая служит статором. Поэтому поворот ротора относительно статора вызывает изменение площади обкладок и изменение самой емкости.

По типу диэлектрика конденсаторы переменной емкости бывают: воздушные; керамические, слюдяные (твердый неорганический диэлектрик); полистироловые, полиэтиленовые (органический диэлектрик). Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используются в качестве подстроечных, ибо они не обеспечивают хорошей повторяемости значений емкости из-за наличия воздушных зазоров между подвижными и неподвижными обкладками.

Конденсаторы с воздушными зазорами обладают высокой стабильностью и небольшими потерями, однако имеют большие габариты.

Переменные и подстроечные конденсаторы характеризуются максимальной Смакс и минимальной Смин емкостью, коэффициентом перекрытия по емко-

сти K = Cмакс/Cмин, ТКЕ, tg δ, законом изменения емкости. Конденсаторы, выполненные на основе сегнетоэлектриков или сегнетокерамики являются пере-

менными с электрически управляемой емкостью.

При изменении приложенного напряжения происходит изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика, что приводит к изменению емкости. Такие конденсаторы называются варикондами.

При изменении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу, происходит расширение запорного слоя перехода, что равносильно изменению расстояния между обкладками конденсатора, устройства, использующие свойства обратносмещенного p-n-перехода, называются варикапами. Они рассматриваются в разделе 2.14.

1.3. Катушки индуктивности

Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия переменного тока с магнитным полем, наводимым этим током. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с частотой ω является реактивным сопротивлением jωL, где L – индуктивность (коэффициент пропорциональности). Для уменьшения габаритов и увеличения индуктивности провод наматывается в виде катушки. При протекании переменного тока через катушку сказывается взаимоиндукция между витками катушки, что приводит к увеличению индуктивности.

Индуктивности классифицируются по различным признакам: наличие или отсутствие сердечника, однослойные (с шагом и без шага), многослойные (рядовая, универсальная, навал), количество обмоток, рабочая частота и т.д.

28

Свойства катушки при изменении температуры характеризуются температурным коэффициентом индуктивности TKL, показывающим относительное изменение индуктивности ∆L/L к интервалутемператур, вызвавшемуэто изменение

αL = TKL = ∆LL ∆1T .

Изменение индуктивности во времени (старение) характеризуется коэф-

фициентом старения

βL = ∆L ∆1 . L t

Для увеличения индуктивности и повышения добротности применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.

Дроссели являются одной из разновидностью катушек индуктивности. Они предназначены обеспечить большое сопротивление для переменных токов

ималое для постоянных или низкочастотных токов.

Взависимости от частотного диапазона использования дросселей, они бывают низкочастотными и высокочастотными. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах. В выпрямительных устройствах дроссели используются в качестве фильтра для получения малых пульсаций постоянного напряжения при большом токе нагрузки и включаются всегда последовательно с сопротивлением нагрузки. Для исключения насыщения магнитной цепи магнитопровода протекаемым постоянным током в магнитопроводе делается воздушный зазор толщиной 0,05…0,1 мм. При расчете индуктивности и активного сопротивления дросселя необходимо учитывать значение постоянного тока в нагрузке и параметры источника питания.

Дроссели высокой частоты предназначены для работы в высокочастотных электронных цепях. Они должны обладать минимально возможной емкостью, для обеспечения которой, катушки индуктивности наматываются на диэлектрический каркас внавал или с определенным шагом намотки.

Параметры катушек индуктивности

1.Номинальная индуктивность катушки.

2.Допустимое отклонение индуктивности катушки.

3.Собственная емкость катушки индуктивности.

4.Температурный коэффициент индуктивности катушки αT (TKL).

5.Коэффициент старения βL.

6.Номинальная добротность катушки индуктивности.

29

ГЛАВА 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

2.1.Физические основы полупроводниковых приборов

Кполупроводникам относятся твердые тела, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

У полупроводников удельное сопротивление при комнатной температуре

изменяется в широких пределах от 10-4 до 1010 Ом×см. У металлов удельное сопротивление меньше 10-4 Ом×см. К диэлектрикам относятся твердые тела, у которых удельное сопротивление больше 1010 Ом×см.

Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного сопротивления от внешних факторов: температуры, концентрации примесей, действия света и ионизирующих излучений.

Количество веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами, превышает количество металлов и диэлектриков. Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяются элементарные полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te; соединения АIIIВV (АIII – элементы третьей группы таблицы Менделеева, ВV – элементы пятой группы): арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфид

галлия GaP, карбид кремния SiC; соединения АIIВV; тройные полупроводниковые соединения АIIВIIIСV, АIВIIIСVI и др.

Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной энергией или занимает определенный энергетический уровень. Структуры атомов различных элементов имеют оболочки полностью заполненные электронами (внутренние) и незаполненные (внешние) оболочки.

Электроны внешней оболочки атома называются валентными . Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет общей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов (рис. 2.1,а). Валентные электроны, как наиболее удаленные от ядра, имеют с ним наиболее слабую связь, и поэтому под воздействием электрического поля, тепла, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободным.

Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией .

Электроны в атоме обладают только вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энергии атома. В твердом теле, при образовании кристаллической решетки, благодаря взаимодействию атомов энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном теле

30

(рис. 2.1,б). Совокупность уровней, на каждом из которых могут находится электроны, называют разрешенной зоной (1,3 на рис. 2.1,б,в).

В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три зоны: заполненная (разрешенная) зона, запрещенная зона и зона проводимости.

Разрешенная зона характеризуется тем, что все энергетические уровни валентных электронов при температуре 0°К заполнены электронами. Верхнюю заполненную зону называют валентной. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладающих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например электрического поля).

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.

Ширина запрещенной зоны для большинства полупроводников составляет 0,1…3 эВ, а у полупроводников, предназначенных для создания высокотемпературных приборов – 6 эВ. Для германия эта величина равна 0,72 эВ, для кремния – 1,12 эВ, для арсенида галлия – 1,4 эВ, для карбида кремния – 2,3…3,1 эВ, для фосфида галлия – 2,2 эВ.

Если ширина запрещенной зоны ∆Wз > 6 эВ, то при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимости, в связи с этим такое вещество не проводит электрического тока и называется диэлектриком (рис. 2.1,д). У металлов и их сплавов запрещенная зона отсутствует (рис. 2.1,г), так как у них зона проводимости и валентная зона перекрываются. Такие вещества обладают хорошей проводимостью и называются проводниками.

В полупроводниках при температуре отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны