Разновидности полупроводниковых диодов. Стабилитроны

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов: управляемая полупроводниковая емкость – варикапы; лавинный пробой – стабилитроны; туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды; фотоэффект – фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов – светодиоды; многослойные диоды – динисторы; приборы на переходе металл – полупроводник – диоды Шоттки. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие как тиристоры. Рассмотрим наиболее часто применяемые диоды – стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в области лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, рассеиваемая на нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис.4.13 показано схемотехническое обозначение стабилитрона, а на рис.4.14 приведена его вольтамперная характеристика.

Рис.4.13. Условное графическое обозначение стабилитрона.

Основными параметрами стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации номинальное U_СТ;

- напряжение стабилизации минимальное U_{СТ. мин};

- напряжение стабилизации максимальное U_{СТ. макс};

- дифференциальное сопротивление R_СТ;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации α_СТ;

- минимальный ток стабилизации I_{СТ. мин};

- максимальный ток стабилизации I_{СТ. макс};

- рассеиваемая мощность P_РАС.

Рис.4.14. ВАХ стабилитрона

Чаще всего стабилитрон используется для стабилизации постоянного напряжения. Для оценки стабильности схемы используется такой параметр, как дифференциальное сопротивление стабилитрона. Этот параметр измеряется в единицах сопротивления и во многих расчетах играет роль сопротивления. Дифференциальное сопротивление равно отношению изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Простейшая схема стабилизатора напряжения (рис.4.15) включает в себя балластный резистор R₀, стабилитрон VD и нагрузку R_Н, напряжение на которой требуется поддерживать постоянным.

Если изменится входное напряжение U_ВХ, то это приведет к изменению тока через стабилитрон VD, при этом изменяется сопротивление стабилитрона и соответственно изменится падение напряжения на резисторе R₀, в результате чего произойдет компенсация изменения U_ВХ.

Рис.4.15. Стабилизатор напряжения.

Для установления и поддержания правильного режима стабилизации сопротивление R₀ должно иметь определенное значение, которое обычно рассчитывают для средней точки вертикального участка рабочей ветви ВАХ стабилитрона. Также необходимо учитывать, чтобы при любом возможном изменении входного напряжения ток через стабилитрон находился на вертикальном участке ВАХ.

Рассмотрим основные параметры стабилитронов. Напряжение стабилизации может изменяться примерно от 3 до 200В, изменение тока стабилитрона от I_мин до I_макс составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на стабилитроне – от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление R_Дв режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны малой мощности имеют сопротивление R_Д от единиц до десятков Ом.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рис.4.16). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется.

Рис.4.16. Последовательное включение стабилитронов

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рис.4.17), в которой стабилитрон VD₁ должен иметь более высокое напряжение стабилизации, чем стабилитрон VD₂.

Эффективная стабилизация характеризуется коэффициентом стабилизации К_СТ, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы на рис.4.15 можно записать:

К_CТ = (ΔU_ВХ / U_ВХ) / (ΔU_ВЫХ / U_ВЫХ). (4.3)

Рис.4.17. Каскадное включение стабилитронов

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить К_СТ, равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рис. 4.17) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев:

К_СТ = К_СТ1∙К_СТ2∙…∙К_СТN (4.4)

и уже при двух звеньях составляет несколько сотен.

Недостатком рассматриваемых схем является то, что потери мощности в самом стабилитроне и на R₀ велики, особенно в схемах каскадного соединения. Другой недостаток – схема не стабилизирует выходное напряжение при изменении сопротивления нагрузки и при изменении параметров самого стабилитрона.

Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. При подаче на диод обратного напряжения изменяется ширина p-n перехода, а следовательно, изменяется величина барьерной емкости. Таким образом, имеется возможность изменять емкость электрическим способом.

Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от обратного напряжения – вольт-фарадная характеристика. На рис.4.18 а, б показаны схематическое изображение варикапа и его вольт-фарадная характеристика.

Основными параметрами варикапов являются:

- общая емкость С_ОБЩ;

- коэффициент перекрытия по емкости К_ПЕР;

- добротность Q;

- постоянный обратный ток I_ОБР.П;

- постоянное обратное напряжение U_ОБР.П;

- рассеиваемая мощность P_РАС.

а) б)

Рис.4.18. Схематическое изображение варикапа (а) и его вольт-фарадная характеристика (б)

Варикапы широко используются для электронной настройки колебательных контуров радиоприемных устройств и средств связи (рис.4.19).

Рис.4.19. Схема включения варикапа для электронной настройки

Варикап VD1 через разделительный конденсатор C2 подключается параллельно конденсатору С1 колебательного контура. Изменяя напряжение на выходе цифро-аналогового преобразователя, можно менять емкость диода и общую емкость контура, тем самым изменяя частоту резонанса контура и его настройку.

ГЛАВА 5

ТИРИСТОРЫ

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Слово тиристор происходит от греческого thyra, означающего дверь, и указывает на то, что он может быть или открыт, или закрыт. Другое название этого прибора – кремниевый управляемый вентиль (КУВ). Последнее название указывает на то, что тиристор ведет себя как диод с дополнительной возможностью управления мощностью, направляемой в нагрузку.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на динисторы, тиристоры и симисторы (триаки).

Тиристоры обычно характеризуют набором статических и динамических параметров, к которым относятся:

- напряжение переключения U_ПК;

- напряжение в открытом состоянии U_ОС;

- обратное напряжение – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения работоспособности U_ОБР;

- запирающее напряжение на управляющем электроде U_УПР;

- ток в открытом состоянии I_ОС;

- время включения и время выключения тиристора t_ВКЛ и t_ВЫКЛ;

- рассеиваемая мощность P.

Условные графические обозначения тиристоров приведены на рис.5.1.

а) б) в)

Рис.5.1. Условные графические обозначения тиристоров:

а) динистор, б) тиристор, в) симистор

Тиристор не будет проводить до тех пор, пока не протечет импульс тока в цепи запуска. Если запуск произошел, то в действие вступает регенеративный процесс и тиристор продолжает проводить до тех пор, пока источник напряжения не будет удален. Рис. 5.2 иллюстрирует это свойство на простой схеме, где выпрямляется некоторая часть входного переменного напряжения. Проводящее состояние тиристора не наступает до тех пор, пока импульс тока не протечет от управляющего электрода к катоду; поэтому фаза последовательности запускающих импульсов по отношению к переменному напряжению источника определяет долю периода, в пределах которой открывшийся тиристор пропускает сигнал. Тиристор автоматически выходит из состояния проводимости в конце каждого полупериода, поскольку входное напряжение уменьшается до нуля.

Рис.5.2. Схема простейшего регулятора на тиристоре

Рис.5.3. Временные диаграммы работы регулятора

Тиристор является чрезвычайно эффективным и быстрым переключающим устройством (типичное время включения 1 мкс). Им можно воспользоваться для управления очень большими мощностями, поскольку р-n переходы можно сделать такими, чтобы они выдерживали многие сотни вольт при смешении в обратном направлении. При соответствующих размерах р-n переходов с помощью тиристора можно переключать токи величиной в сотни ампер и при этом на нем падает напряжение всего лишь порядка одного вольта. Такого сочетания высокого напряжения пробоя с большим эффективным коэффициентом усиления тока нельзя достичь в мощном транзисторе: большой коэффициент усиления тока требует, чтобы область базы была тонкой, а это приводит к низкому напряжению пробоя.

Тиристор идеально подходит для регулирования мощности переменного напряжения во всем, кроме одного: он является однополупериодным устройством, а это означает, что даже при полной проводимости используется только половина мощности. Можно включить параллельно два тиристора навстречу друг другу, чтобы обеспечить двухполупериодный режим работы, однако для этого требуется подавать импульсы запуска на управляющие электроды от двух изолированных, но синхронных источников.

На практике для регулирования мощности переменного напряжения используется двунаправленный тиристор или симистор. Как можно видеть на рис. 5.4, симистор можно рассматривать как два инверсно-параллельных тиристора с управлением от единственного источника сигнала. Симистор является настолько гибким устройством, что его можно переключать в проводящее состояние как положительным, так и отрицательным импульсом запуска независимо от мгновенной полярности источника переменного напряжения. Названия катод и анод теряют смысл для симистора; ближайший к управляющему электроду вывод назвали, основным выводом 1 (МТ1), а другой — основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс всегда подается относительно вывода МТ1 так же, как в случае тиристора он обычно подается относительно катода.

Обычно для переключения симистора, рассчитанного на ток до 25 А, достаточен пусковой ток 20 мА, и одним из простейших примеров его применения является «твердотельное реле», в котором небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки.

Рис.5.4. Простое «твердотельное реле» на симисторе

В качестве ключа S могут быть геркон, чувствительное термореле или любая контактная пара, рассчитанная на 50 мА; ток в цепи нагрузки ограничивается только параметрами симистора. Полезно отметить, что резистор R, в цепи запуска находится под напряжением сети только в моменты включения симистора; как только симистор включается, разность потенциалов на резисторе R, падает до величины около одного вольта, так что достаточен полуваттный резистор.

Весьма распространенными применениями симистора являются регулятор яркости для лампы или управление скоростью вращения мотора. На рис.5.5 показана такая схема. Временное положение запускающих импульсов устанавливается RС-фазовращателем; потенциометром R₂ регулируют яркость лампы, тогда как резистор R₁ просто ограничивает ток, когда потенциометр установлен в положение с минимальным сопротивлением. Сами импульсы запуска формируются динистором, который можно представить себе как маломощный тиристор без управляющего электрода с низким напряжением лавинного пробоя (около 30 В). Когда разность потенциалов на конденсаторе С достигает уровня пробоя в динисторе, мгновенный импульс разряда конденсатора включает симистор.

Рис.5.5. Простейшая схема регулировки яркости лампы на симисторе с фазовым управлением

Легко сделать автоматический фотоэлектрический выключатель лампы, присоединив параллельно конденсатору С фоторезистор. Сопротивление фотоэлемента в темноте велико, порядка 1 МОм, но при дневном свете оно падает до нескольких килоом так, что симистор не может открыться и лампа выключена. Если в автоматическом выключателе ручная регулировка не требуется, то резистор R₂ можно закоротить.

На рис.5.6 показано, как симистор управляет мощностью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запаздывания пускового импульса по фазе, которое определяется суммой сопротивлений R₁, R₂ и емкостью С. В простейшей схеме управления на рис.5.5 фазовый сдвиг не может быть больше 90°, так как используется только одна RС-цепочка. Поэтому такая схема является плохим регулятором при малой мощности, поскольку в нем могут происходить неожиданные скачки от выключенного состояния к полной мощности.

Рис.5.6. Форма напряжения на нагрузке в симисторном регуляторе при постепенном увеличении фазового сдвига

Более совершенная схема приведена на рис.5.7; включение дополнительной RС-цепочки (R₃,C₃) дает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малой мощности. Дальнейшие усовершенствования состоят во введении следующих элементов: (а) демпфера с постоянной времени RС для предотвращения ошибочных переключений от противо-э.д.с. индуктивной нагрузки и (b) радиочастотного фильтра L₁C₁ для подавления помех. Последний элемент всегда следует вводить в симисторную или тиристорную схему, работающую по принципу «отсекания части колебания», поскольку быстрые включения и выключения могут создавать серьезные радиопомехи в питающей сети.

Имеется большое число различных симисторов и тиристоров. Как и в случае выпрямительных диодов, для того, чтобы выбрать прибор с нужным номинальными напряжением и током, можно обратиться к каталогам и справочным данным. Большинство производителей выпускают подходящие динисторы, но имеются также приборы, называемые quadrac, в которых объединены симистор и динистор.

ГЛАВА 6