Принцип стабилизации напряжения

Лабораторная работа N3

Применение полупроводниковых диодов

Цель работы:

Исследование некоторых практических применений полупроводниковых диодов для преобразования электрических сигналов

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые диоды, обладающие односторонней проводимостью благодаря вольт – амперной характеристике p –n перехода или перехода Шотки, находят весьма широкое и разнообразное применение в радиотехнических устройствах. Нелинейность прямой ветви вольт – амперной (ВАХ) характеристики используется для преобразования спектра входного сигнала, например для детектирования модулированных сигналов ил выделения суммарной или разностной частоты при подаче на вход двух сигналов разной частоты. Односторонняя проводимость диодов используется для выпрямления переменного тока, т.е. преобразования его в пульсирующий ток одного направления, из которого затем с помощью фильтров получают постоянный по величине и направлению ток.

Явление пробоя и обратная ветвь ВАХ после пробоя p - n перехода используется в диодах специальной конструкции (стабилитронах) для стабилизации напряжения и тока в нагрузке при случайных изменениях этих величин. Наличие барьерной емкости p – n перехода и ее зависимость от величины обратного напряжения используется для электрического управления емкостью различных электрических цепей, например, колебательных контуров, с использованием диодов специальной конструкции – варикапов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Диодный выпрямитель

Переменный ток промышленной частоты 50 Гц, энергией которого питается абсолютное большинство бытовых и промышленных приборов и машин абсолютно не пригоден для питания радиоэлектронных устройств, для работы которых необходимы источники питания постоянного (по величине и направлению) тока или напряжения. Получение такого тока или напряжения из переменного осуществляется в несколько этапов, одним из которых является выпрямление. В результате этой операции из синусоидального переменного тока получают постоянный по направлению, но изменяющийся по величине – пульсирующий ток (напряжение).

Эту операцию практически повсеместно сейчас выполняют с помощью полупроводниковых диодов, используя их одностороннюю проводимость. Для удобства и наглядности несколько идеализируем вольт – амперную характеристику (ВАХ) диода, считая обратный ток пренебрежительно малым, а прямую ветвь заменим прямой (рис.1).

На рис.1,а реальная ВАХ показана штриховой линией, и добавлена еще одна координатная ось времени, позволяющая изобразить закон изменения входного напряжения диода от времени. На рис.1,б показан закон изменения тока, протекающего через диод, от времени.

Из графиков нетрудно понять, что диод открыт и пропускает ток только пир положительной полуволне входного напряжения, а при отрицательной полуволне на диод действует запирающее обратное напряжение и ток в цепи не проходит, с учетом принятой нами идеализации ВАХ. По этой же причине (линейность прямой ветви ) ток в цепи будет представлять собой последовательность синусоидальных импульсов, длительность которых и интервал между импульсами равны половине периода.

Если в качестве нагрузки включить резистивный элемент (рис.2), то падение напряжения на нем будет повторять по форме ток. С помощью последующих операций фильтрации и стабилизации из такого пульсирующего напряжения или тока получают постоянный не только по направлению, но и по величине ток. Выпрямитель на рис.2 называется однополупериодным, поскольку ток в цепи течет только одну полуволну периода. Есть схемы, использующие два или четыре диода, которые позволяют получить синусоидальные импульсы тока или напряжения в каждом полупериоде с одинаковой полярностью. Такие схемы называются двухполупериодными.

Операция фильтрации пульсирующего напряжения основана на использовании элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Дело в том, что последовательность синусоидальных импульсов можно представить рядом Фурье, в который будет входить постоянная составляющая и бесконечный набор гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного напряжения. Амплитуды этих гармонических составляющих уменьшаются с ростом частоты. Поскольку индуктивный элемент обладает сопротивлением прямо пропорциональным частоте, а емкостный элемент - обратно пропорциональным, то выбрав индуктивный элемент с достаточно большой индуктивностью и включив его последовательно с нагрузкой, а конденсатор достаточно большой емкости включив параллельно нагрузке, можно практически полностью избавиться от гармонических составляющих тока или напряжения в нагрузке, сохранив при этом постоянную составляющую.

Стабилизатор напряжения

Стабилитроны

Функцию стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях входного напряжения, или изменении тока нагрузки выполняют стабилизаторы напряжения. Основным элементом стабилизатора является диод специальной конструкции, рабочим участком ВАХ которого является обратная ветвь в области пробоя. Такие диоды называются стабилитронами.

Полупроводниковые стабилитроны изготавливаются на основе кремния в связи с малым обратным током и резким переходом в область лавинного или туннельного пробоя. Основные виды и механизмы пробоя подробно рассмотрены в лабораторной работе №2. Стабилитроны с напряжением пробоя U_пр< 5 В используют явление туннельного пробоя, который наблюдается в p – n переходах с резким распределением примеси и при высокой степени легирования. Область пространственного заряда в таких переходах очень мала e ~ [(N_d + N_a ) / (N_d*N_a) ]^1/2 (N_d, N_a – концентрации донорной и акцепторной примеси), составляет обычно сотые доли мкм, что и обеспечивает возможность квантово – механического туннелирования. Из – за малой ширины перехода и высокой концентрации носителей в области пространственного заряда напряженность электрического поля E достигает значений E = (2…4)*10⁵ В/см. При такой напряженности поля на электроны в валентных связях действует электростатическая сила, способная вырвать их из связи и привести в зону проводимости. Поэтому туннельный пробой называют также зенеровским пробоем по имени ученого, предложившего этот механизм пробоя и резкого роста числа носителей. Опыт показывает, что туннельный пробой возможен при см^-3. В резких p – n переходах, кроме специальных случаев, концентрация примеси составляет 10¹⁶…10¹⁷ см^-3. В плавных p – n переходах с линейным или экспоненциальным распределением примесей туннельный пробой возможен только при напряжениях, значительно превышающих напряжение лавинного пробоя, даже при сильном легировании n и p – областей.

С ростом температуры перехода напряжение туннельного пробоя уменьшается (отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)), поскольку при этом уменьшается ширина p – n перехода и растет вероятность туннелирования носителей в зону проводимости.

Значение напряжения лавинного пробоя обычно , и зависит оно от ширины запрещенной зоны E_g. Большему значению E_g требуется большая энергия носителя для ударной ионизации, а значит, и напряжение пробоя будет больше.

Зависимость напряжения лавинного пробоя от материала полупроводника и степени легирования базы диода можно выразить формулой:

(2.1)

где: A и B – коэффициенты, зависящие от материала и типа проводимости полупроводника, - удельное сопротивление базы диода. Для базы диода

n – типа, например

(2.2)

где: - подвижность электронов, - концентрация электронов (основных носителей) в базе диода, e – заряд электрона.

При уменьшении степени легирования базы диода уменьшается ее электропроводность σ, растут удельное сопротивление и напряжение лавинного пробоя .

Поскольку коэффициенты A и B в (2.1) не поддаются аналитическому расчету, на практике пользуются полуэмпирическими соотношениями для оценки напряжения пробоя резких несимметричных p – n переходов

(2.3)

и плавных p – n переходов:

(2.4)

где: E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника ( E_g(Ge) = 0,67 эВ, (E_g(Si) = 1,12 эВ), N – концентрация примеси в слабо легированной области (см^-3), α – градиент концентрации примеси в плавном p – n переходе (см^-4).

С ростом температуры полупроводника увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, возрастает вероятность столкновения свободных носителей с ними и уменьшается поэтому длина свободного пробега носителей. Чтобы при меньшей длине пробега носитель набрал необходимую для ионизации атомов энергию, необходимо повышение внешнего напряжения. Поэтому напряжение лавинного пробоя с ростом температуры возрастает (положительный ТКН).

У стабилитронов с напряжением пробоя 5…7 В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов, поэтому у них напряжение пробоя при увеличении температуры практически не изменяется, т.к. ТКН туннельного и лавинного пробоя имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга.

Принцип стабилизации напряжения

Принцип стабилизации напряжения с помощью стабилитрона удобно пояснить с помощью схемы простейшего параметрического стабилизатора напряжения (рис.3) и обратной ветви ВАХ стабилитрона, представленной на рис.4.

Стабилитроны, в отличие от других диодов, имеют свое графическое изображение в схемах, показанное на рис.3.

При входном напряжении стабилитрон пропускает лишь пренебрежимо малый обратный ток, поэтому ток в цепи определяется суммой сопротивлений . Если превысит наступает режим пробоя p – n перехода и при малых изменениях напряжения на стабилитроне и нагрузке ток через стабилитрон изменяется весьма значительно. Ток через балластное сопротивление равен сумме токов стабилитрона и нагрузки . Так, если входное напряжение повысилось, то это приведет к росту тока стабилитрона и тока через сопротивление . Падение напряжения на возрастает, а на нагрузке и стабилитроне напряжение изменяется весьма незначительно.

Параметры стабилитрона

Наиболее важными параметрами стабилитрона являются следующие:

1. Напряжение стабилизации - значение напряжения на стабилитроне при протекании через него заданного (номинального) тока стабилизации. Напряжение пробоя, т.е. и напряжение стабилизации зависит от толщины p – n перехода или удельного сопротивления базы (см.(2.1)). Чем выше степень легирования базы, тем меньше ее удельное сопротивление, и тем ниже будет напряжение стабилизации.

2. Максимально – допустимая мощность рассеяния , стабилитрона при комнатной температуре:

(2.5)

где: - максимальный ток стабилитрона, - номинальное напряжение стабилизации. По величине стабилитроны делятся на три группы:

- стабилитроны малой мощности Вт;

- стабилитроны средней мощности Вт;

- стабилитроны большой мощности Вт;

3. Минимальный и максимальный токи стабилизации (рис.4).

Эти токи ограничивают область вольт – амперной характеристики стабилитрона, в которой он способен выполнять свои функции при обеспечении заданной надежности работы.

Начало рабочего участка ВАХ в точке А (рис.4), который и соответствует значению тока . При меньших значениях тока дифференциальное сопротивление стабилитрона еще велико и зависит от величины тока достаточно резко. Кроме того, в стабилитронах с лавинным пробоем при меньших токах процесс ударной ионизации крайне неустойчив, поэтому в выходном сигнале возникают значительные шумы. Они исчезают, когда процесс ударной ионизации становится устойчивым, т.е. при токах, больших, чем . У маломощных стабилитронов может быть 1…3 мА.

Точка B на ВАХ стабилитрона ограничивает рабочий ток по величине сверху и соответствует току ; Этот ток определяется значением максимально допустимой мощности рассеяния (см.(2.5)):

(2.6)

Превышение тока над приводит к разогреву p – n перехода, к лавинному пробою добавляется тепловой, ток растет еще быстрее и стабилитрон выходит из строя.

Значение для разных типов стабилитронов может лежать в пределах от 10 мА до 2 А.

4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона , находится как:

(2.7)

и определяет тангенс угла наклона обратной ветви ВАХ к оси тока. В рабочей области ВАХ (участок AB) практически линейна, поэтому дифференциальное сопротивление можно находить как:

(2.8)

Значение - изменяется от долей Ома до десятков Ом для различных типов стабилитронов. Если же , то дифференциальное сопротивление резко возрастает, поэтому при таких токах стабилитрон перестает выполнять свои функции.

Значение определяет качество стабилитрона. Чем меньше изменения напряжения стабилизации при заданном изменении тока стабилитрона , тем выше качество стабилитрона.

5. Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона постоянному току в рабочей точке определяется:

(2.9)

6. Добротность стабилитрона определяют как

(2.10)

Из рис.4 видно, что , поэтому . Чем больше это отношение, тем лучше стабилизирующее действие прибора. Как правило, .

7. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) указывает влияние температуры окружающей среды на напряжение стабилизации:

; [%/ ], (2.11)

где: - отклонение напряжения стабилизации от номинального при изменении температуры на .

Из (2.11) следует, что определяется отношением относительного изменения напряжения стабилизации ( ) к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Типичный график зависимости от напряжения стабилизации показан на рис.5. Как видно из графика ТКН изменяется по величине и знаку, что объясняется различными механизмами пробоя, обсужденными в п.2.2.1.

У стабилитронов с пробоем лавинного типа . Для компенсации температурного дрейфа напряжения стабилизации используют последовательное включение с основным стабилитроном одного или нескольких диодов в прямом направлении, прямые ветви ВАХ которых имеют отрицательный ТКН. Таким образом суммарный ТКН может быть сведен практически к нулю. Например, в прецизионных стабилитронах Д 818 и КС 191 используют три последовательно соединенных p – n перехода, размещенных в одном корпусе. Один из них включен в обратном направлении и работает как стабилизирующий, а два других, компенсирующих, - в прямом. У них ТКН очень мал: %/ .

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 549; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!