Параметры выпрямительных диодов

1. Средний выпрямленный ток – среднее за период значение выпрямленного тока, который может длительно протекать через диод при допустимом его нагреве (сотни мА – десятки А).

2. Среднее прямое напряжение диода – среднее значение прямого падения напряжения, определяемое при среднем выпрямленном токе, для германиевых < 1 В, для кремниевых < 1,5 В.

3. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр макс} – максимально допустимое обратное напряжение, которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы, U_{обр макс} на 20 % меньше напряжения пробоя .

= 100…400 В для Ge диодов;

=1000…1500 В для Si диодов.

4. Максимальный обратный ток – максимальное значение обратного тока диода при .

5. Средняя рассеиваемая мощность диода – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании и (сотни мВт – десятки Вт).

6. Диапазон рабочих температур –

для германиевых диодов –60…+85 °С;

для кремниевых диодов –60…+125 °С.

7. Барьерная емкость диода при подаче на него номинального обратного напряжения составляет десятки пФ.

8. Диапазон рабочих частот.

9. Дифференциальное сопротивление диода – сопротивление диода протекающему переменному току, которое вычисляется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы – сотни Ом).

Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в электрических цепях. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя р–n перехода при подаче на диод обратного напряжения. В связи с этим на вольт–амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. На рис. 2.12 приведена ВАХ стабилитрона, условное обозначение и схема включения. Стабилитрон всегда включается параллельно нагрузке.

В качестве исходного материала для изготовления стабилитронов используется кремний, имеющий большую ширину запрещенной зоны и соответственно малый обратный ток, в связи с чем вероятность возникновения теплового пробоя очень мала.

По величине допустимой мощности рассеивания стабилитроны подразделяются на стабилитроны малой ( < 0,3 Вт), средней (0,3 Вт < < 5 Вт) и большой ( > 5 Вт) мощности.

Промышленностью выпускаются следующие разновидности стабилитронов: общего назначения, прецизионные, импульсные, двухдиодные, стабисторы.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения. Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжения, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности.

Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.

Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.

Величина пробоя р–n перехода зависит от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны изготавливаются из сильнолегированного (низкоомного) материала, и у них более вероятен туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливаются из слаболегированного (высокоомного) материала, и у них вероятен лавинный вид пробоя.

ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИТРОНА

1. Номинальное напряжение стабилизации – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока (единицы – десятки В).

2. Минимальный ток стабилизации – минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон при устойчивом пробое перехода (доли мА – десятки мА).

3. Максимальный ток стабилизации – максимально допустимый ток стабилизации, ограничиваемый допустимой мощностью рассеивания (единицы мА – единицы А).

4. Номинальный ток стабилизации .

5. Дифференциальное сопротивление – отношение приращения напряжения cтабилизации к вызвавшему его приращению тока (единицы – десятки Ом). Чем меньше – тем лучше стабилизация напряжения.

6. Статическое сопротивление стабилитрона в данной рабочей точке, характеризует омические потери в заданной рабочей точке .

7. Коэффициент качества стабилитрона – определяет не только наклон ВАХ, но и отношение изменения напряжения стабилизации к напряжению стабилизации (Q = 0,01…0,05 и ниже).

8. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) a_ст – отношение относительного изменения напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды и постоянном токе стабилизации к изменению температуры, вызвавшему это изменение

.

Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации от напряжения стабилизации показано на рис. 2.13.

У низковольтных стабилитронов с ростом температуры вероятность туннельного переноса возрастает, а напряжение пробоя падает. Поэтому низковольтные стабилитроны имеют отрицательный ТКН. У слаболегированных р–n переходов с ростом температуры скорость носителей заряда уменьшается, поскольку уменьшается их подвижность. Поэтому, чтобы носителю сообщить необходимую скорость для ударной ионизации, необходимо увеличить напряженность электрического поля в обедненном слое.

Таким образом, у высоковольтных стабилитронов увеличивается с возрастанием температуры, и они имеют положительный ТКН.

Для уменьшения ТКН последовательно со стабилитроном включают полупроводниковые диоды в прямом направлении или терморезисторы с ТКС противоположного знака.

Для уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации используют прецизионные стабилитроны, у которых имеются три последовательно соединенных р–n перехода. Один из них – стабилизирующий и включен в обратном направлении, а два других – термокомпенсирующие и включены в прямом направлении. Промышленностью выпускаются прецизионные стабилитроны в виде законченных компонентов, например, 2С191, КС211, КС520 и др.

Для стабилизации или ограничения коротких импульсов напряжения используют импульсные стабилитроны. Они должны обладать большим быстродействием, которое определяется временем перезарядки барьерной емкости. Примером таких стабилитронов являются 2С175Е, КС182Е, КС211E и др.

Двуханодные стабилизаторы применяются в схемах стабилизации и двухстороннего ограничения напряжения, устройствах защиты элементов электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей. Они имеют два p–n перехода, включенных встречно, а их внешние выводы сделаны от p–областей. Это 2С170А, 2С182А и др.

Стабисторами называют диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Особенностью стабисторов является малое напряжение стабилизации (0,35…1,9) В, которое определяется прямым падением напряжения на диоде. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или в одном кристалле.

Примером стабисторов являются приборы КС107, 2С113А, 2С119А.

Варикапы

Варикапы – это специальные полупроводниковые диоды, которые используются в качестве электрически управляемой емкости.

Они находят применение в схемах автоматической подстройки частоты радиоприемников, в схемах частотных модуляторов, в параметрических схемах усиления, в схемах умножения частоты, в управляемых фазовращателях. Принцип действия варикапа основан на зависимости емкости p–n перехода от внешнего напряжения.

Диффузионная емкость не нашла практического применения из-за сильной зависимости ее от температуры и частоты, высокого уровня собственных шумов и низкой добротности. Практическое применение получила барьерная емкость p–n перехода, величина которой зависит от значения приложенного к диоду обратного напряжения. Эта зависимость описывается вольт–фарадной характеристикой, аналитическое выражение которой имеет вид

. (2.25)

На рис. 2.14 представлена вольт–фарадная характеристика и одна из схем включения варикапа. При изменении напряжение смещения, подаваемого на варикап с помощью резистора R₁, изменяется емкость диода. Изменение емкости варикапа приводит к изменению частоты колебательного контура при изменении емкости диода включается резистор R₂, сопротивление которого больше резонансного сопротивления контура.

На рис. 2.15 показана эквивалентная схема варикапа, где r_б – объемное сопротивление базы; R_обр – учитывает дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; C_бар – эквивалент барьерной емкости диода. На частотах до нескольких десятков МГц индуктивность выводов и емкость корпуса диода не учитываются из-за их малых значений. Анализ эквивалентной схемы варикапа в частотном диапазоне показывает на изменение сопротивления потерь, которые определяют добротность варикапа

,

где X_c – реактивная составляющая сопротивления варикапа; R_пот –сопротивление потерь.

На высоких частотах , где w – частота, поэтому шунтирующим действием обратного сопротивления p–n перехода можно пренеб-

речь. Эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное сопротивление барьерной емкости и r_б, тогда

.

Для уменьшения r_б необходимо уменьшать толщину области базы.

На низких частотах , и эквивалентная схема варикапа представляет собой параллельное соединение R_обр и C_бар, тогда

.

С ростом частоты добротность падает. Зависимость добротности варикапа от частоты (рис. 2.16) имеет максимум в диапазоне 20…30 МГц.

Добротность варикапа уменьшается с повышением температуры, так как при этом возрастает r_б. С увеличением обратного напряжения емкость C_бар и сопротивление r_б уменьшаются, ибо уменьшается толщина базы, а добротность варикапа при этом растет.

ПАРАМЕТРЫ ВАРИКАПОВ

1. Максимальная емкость – емкость варикапа при заданном минимальном и ограничена значением емкости .

2. Минимальная емкость – емкость варикапа при заданном максимальном и ограничивается обратным допустимым напряжением p–n перехода .

3. Коэффициент перекрытия по емкости (единицы – десятки единиц).

4. Сопротивление потерь R_п – суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.

5. Температурный коэффициент емкости ТКЕ – представляет собой отношение относительного изменения емкости к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

.

6. Номинальная емкость – представляет собой барьерную емкость перехода при заданном номинальном (оптимальном) .

7. Добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения . Добротность показывает относительные потери колебательной мощности в варикапе (десятки – сотни единиц).

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах и должны обладать малой емкостью перехода и малым временем жизни неравновесных носителей заряда в базе. Импульсные диоды чаще всего работают при больших амплитудах импульсов. На рис. 2.17 приведена простейшая схема диодного ключа, работающего на активную нагрузку.

Сопротивление нагрузки обычно значительно больше прямого сопротивления диода и принято считать, что схема питается от генератора тока. При та-

ком генераторе ток не зависит от сопротивления внешней по отношению к нему цепи, т.е. от сопротивления диода и нагрузки. В момент включения импульса прямого тока сопротивление базы диода определяется равновесной концентрацией носителей заряда, и на диоде происходит максимальное падение напряжения (рис. 2.18).

По мере увеличения инжектированных носителей в базе, сопротивление базы уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на диоде до установившегося значения .

Промежуток времени с момента подачи входного импульса до момента, когда напряжение на диоде уменьшится до 1,2 , называется временем установления прямого сопротивления диода . При выключении прямого тока падение напряжения на сопротивлении базы становится равным нулю, и напряжение на диоде скачком уменьшается до значения , называемым послеинжекционным. Инжектированные носители рекомбинируют и напряжение на диоде уменьшается.

На рис. 2.19 показано воздействие на диод скачка напряжения, получаемого при его переключении с прямого направления на обратное. В момент скачка появляется относительно большой обратный ток , создаваемый неосновными носителями в базе, накопленными вблизи p–n перехода при действии прямого напряжения. Сопротивление p–n перехода мало, и обратный ток ограничивается только постоянными сопротивлениями базы диода и нагрузки. Поэтому обратный ток остается некоторое время практически постоянным. Когда избыточный заряд становится равным нулю, градиент концентрации неосновных носителей в базе начинает уменьшатся, и обратный ток спадает до своего значения, характерного для статического режима работы. Интервал времени от момента переключения напряжения с прямого на обратное направление до моменты достижения обратным током заданного значения называется временем восстановления обратного сопротивления и обозначается .