Порядок расчета параметрического стабилизатора

Полупроводниковые диоды

http://tre.kai.ru/rates/method/lab_416_2.htm

Рис. 1.4.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода изображена на рис.1.4. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

I=I₀(е^U/(m ^j ^т) -1), (3)

где Iо — обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U — напряжение на p-n-переходе; j _т = kT/e — температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т — температура, е — заряд электрона); m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

Uоб/Uимп максимально допустимое постоянное (Uоб) или импульсное (Uимп) обратное напряжение на диоде.

Iпр/Iимп максимально допустимый постоянный (Iпр) или импульсный (Iимп) прямой ток через диод.

Uпр/Iпр максимальное падение напряжения (Uпр) на диоде при заданном прямом токе (Iпр) через него.

Cд/Uд емкость диода (Cд) и напряжение на диоде (Uд), при котором она измеряется.

Io(25)/Ioм обратный ток диода при предельном обратном напряжении. Приводится для температуры +25 (Iо(25)) и максимальной рабочей температуры (Iом).

Fмах максимальная рабочая частота диода.

Tвос/Qпк(Iп/Uо) время восстановления (Твос) обратного сопротивления диода или заряд (Qпк) для его переключения при заданном прямом токе (Iп) и обратном напряжении (Uо).

P/Pт максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на диоде (P) и на диоде с теплоотводом (Pт).

В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов.

1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. Обозначение стандартное (см. таблицу 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80^оС, кремниевые до 120-150^оС, арсенид-галлиевые до 150^оС.

Основные параметры выпрямительных диодов:

U_{обр,макс} –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;

I_вып,ср - средний выпрямленный ток;

I_пр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;

U_пр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;

P_ср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

r_диф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Особо отметим класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость С_Д, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (см. рис. 2.13).

После изменения полярности напряжения в течение времени t₁ обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе.

Рис. 2.5. Конструкция маломощных германиевых выпрямительных диодов Д7А-Д7Ж (а)

и их примерные вольтамперные характеристики (б)

1-внешний вывод A; 2-трубка (штенгель); 3-стеклянный изолятор; 4-корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6-таблетка In; 7-кристалл Ge; 8-кристаллодержатель; 9-внешний вывод K

http://isemiconductor.ru/vypryamitelnye-diody-2.html

Рис. 2.7. Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ-200

1-гибкий вывод A; 2-стакан; 3-стеклянный изолятор; 4-внутренний гибкий вывод A; 5-корпус; 6-чашечка; 7-кристалл с p-n-переходом; 8-кристаллодержатель K;9-крепление к радиатору

К выпрямительным диодам малой мощности относятся диоды с допустимым выпрямленным током до 300 мА. Такие диоды выпускаются на максимальные напряжения - от десятков вольт до 1200 В.

К выпрямительным диодам средней мощности относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в диапазоне 300 мА - 10 А.

Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т.д., вплоть до 1000А, причем значения Uобр.max достигают 3500 В. Силовые вентили различаются по рабочей частоте и охватывают частотный диапазон до десятков килогерц.

Кремниевые диоды допускают эксплуатацию при более высокой температуре кристалла (135-140 °С против 50-60 °С у германиевых диодов). Кроме того, по этой же причине кремниевые диоды выпускаются на более высокие обратные напряженияUобр.max, чем германиевые.

Картинки

http://go.mail.ru/search_images?q=%E4%E8%EE%E4+%D8%EE%F2%F2%EA%E8&no_morph=n&sf=180

Стабилитроны

http://dssp.petrsu.ru/book/chapter4/part4.shtml

2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (см. таблицу 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В) стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой. В них более высокоомная база.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики.

ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 4.9.

Рис. 4.9. Вольт-амперная характеристика (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление R_диф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина R_диф составляет значение: R_диф ≈ 2÷50 Ом.

Основное назначение стабилитрона - стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Напряжение стабилизации U_стаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, - лавинный и туннельный пробой p-n перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации U_стаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: U_стаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: U_стаб > 8 В.

Основные параметры:

U_ст – напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;

I_ст,мин и I_{ст,макс} – минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации;

r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя;

- температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный - положительным.

Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

Порядок расчета параметрического стабилизатора

Исходными данными являются:

Напряжение на нагрузке.
Максимальное и минимальное сопротивление нагрузки.
Входное напряжение (максимальное и минимальное).

Необходимо определить: тип стабилитрона и значение балластного сопротивления.

Определяется тип стабилитрона с напряжением стабилизации, близким к требуемому. Если напряжение на входе постоянно и сопротивление нагрузки не изменяется, то значение диапазона рабочего тока существенного значения не имеет. В противном случае он не должен быть меньше возможного тока нагрузки.

( Они противоположны по знаку.)

Рассчитывают балластное сопротивление по типу стабилитрона. Оно определяется для случая, когда ток стабилизатора минимален.

;

При выборе R_Б делается проверка на не превышение максимального тока стабилитрона. Иначе необходимо выбрать другой стабилитрон.

При выборе балластного сопротивления необходимо определить его мощность.

Вторым качественным параметром схемы является выходное дифференциальное сопротивление. На основе рассмотренной ранее схемы замещения нетрудно определить

3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10^-10…10^-9 А.

Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

При изготовлении Шотки диод на очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAs, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения.

Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.

4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика – вольт-фарадная С( U ) (см.таблицу 2.1).

Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в широких пределах барьерная емкость диода, причем

где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде; - контактный потенциал; n =2 для резких и n =3 для плавных p-n-переходов.

Основные параметры варикапа:

С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;

- коэффициент перекрытия по емкости;

r_П – суммарное активное сопротивление диода;

- добротность, определяемая при заданном значении емкости.

5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные.

Основные параметры:

I_П и U_П – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;

I_В и U_В – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

- отношение тока впадины к пиковому току;

U_Р – диапазон напряжений падающего участка ( раствор).

L_Д – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (см. рис.2.14, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).

Рис. 2.14

f₀ – резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль;

f_R - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;

К_Ш – шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;

r_П – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода.

http://jstonline.narod.ru/eltehonline/elteh_b0/elteh_b0c0/elteh_b0c0a.htm

Таблица 2.1

Тип диода	Условное обозначение	Характеристика
Выпрямительный
Диод Шотки
Стабилитрон
Стабистор
Варикап
Туннельный диод
Обращенный диод

2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов http://jstonline.narod.ru/eltehonline/elteh_b0/elteh_b0c0/elteh_b0c0b.htm Принятая система обозначений полупроводниковых приборов отражает назначение, физические свойства, материал полупроводника, конструктивно-технологические признаки и др. В основе обозначений лежит буквенно-цифровой код, состоящий из пяти позиций. Ниже в таблице 2.2 представлены обозначения всех пяти позиций. Таблица 2.2

Позиция	Обозначение
1	Буква или цифра исходного полупроводникового материала: Г или 1 – германий или его соединения; К или 2 – кремний или его соединения; А или 3 – соединения галлия; И или 4 – соединения индия
2	Буква - подкласс приборов: Д – диоды выпрямительные и импульсные; Ц – выпрямительные столбы и блоки; В – варикапы; И – туннельные диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; С – стабилитроны; Г – генераторы шума; Л – излучающие оптоэлектронные приборы; О – оптопары.
3	Цифра – функциональные возможности. Подкласс Д: 1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не свыше 10 А; 3 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс; 4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 150…500 нс; 5 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 30…150 нс; 6 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 5…30 нс; 7 - импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 1…5 нс; 8 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс. Подкласс Ц: 1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 2 - столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А; 3 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 4 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10А. Подкласс В: 1 – подстроечные варикапы; 2 – умножительные варикапы. Подкласс И: 1 – усилительные туннельные диоды; 2 – генераторные туннельные диоды; 3 – переключательные туннельные диоды; 4 – обращенные диоды. Подкласс А: 1 – смесительные диоды; 2- детекторные диоды; 3 – усилительные диоды; 4 – параметрические диоды; 5 – переключательные и ограничительные диоды; 6 – умножительные и настроечные диоды; 7 – генераторные диоды; 8- импульсные диоды. Подкласс С: 1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 2- стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10…100 В; 3 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более100 В; 4 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В; 7 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 8 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 9 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В. Подкласс Г: 1 – низкочастотные генераторы шума; 2 – высокочастотные генераторы шума.
4	Число – порядковый номер разработки. Обычно используются двузначные числа от 01 до 99; если порядковый номер превышает число 99, то применяют трехзначное число от 101 до 999.
5	Буква – классификация по параметрам (квалификационная литера). Применяют буквы русского алфавита, кроме букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э.
Дополнительные символы	Цифры: 1…9 – для обозначения модификаций прибора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров; Буква С – для обозначения сборок – наборов в общем корпусе однотипных приборов, не соединенных электрически или соединенных одноименными выводами; Цифры, написанные через дефис – для обозначения следующих модификаций конструктивного исполнения бескорпусных приборов: -1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя; -2 –с гибкими выводами на кристаллодержателе; -3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя; -4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе; -5 – с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов; -6 – с контактными площадками на кристаллодержателе без выводов.

Пример: ЗИ309Ж – арсенид-галлиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж.

Для обозначений диодов, выпущенных до 1982 года, использовалась двухэлементная система: первый элемент для диодов буква Д , второй – число (или номер):

1…100 – точечные германиевые диоды,

101…200 – точечные кремниевые диоды,

201…300 – плоскостные кремниевые диоды,

301…400 – плоскостные германиевые диоды,

401…500 – смесительные СВЧ детекторы,

501…600 – умножительные диоды,

601…700 – видеодетекторы,

701…749 – параметрические германиевые диоды,

750…800 – параметрические кремниевые диоды.

http://isemiconductor.ru/diody-s-barerom-shottki-3.html

Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ 2.730-73

Конструктивно они выполняются (рис. 2.18, б) в виде пластины низкоомного кремния (n+-база), на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того n-типа. На поверхность пленки нанесено металлическое покрытие из пленок золота (толщиной 0,01 мкм). В других частях поверхность защищена слоем окисла SiO2. Подобные структуры создаются с помощью метода фотолитографии [3], [4], [5].

ДШ характеризуются быстрой рекомбинацией инжектированных носителей (время жизни носителей t крайне мало), а значит и высоким быстродействием. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстродействие получается достаточно высоким: граничная частота fгр = 1010 Гц.

Вольтамперная характеристика диода Шоттки идентична ВАХ выпрямительного диода (рис. 2.18, в). Отличие заключается в том, что прямая ветвь диода Шоттки близка к идеальной экспоненциальной кривой, а обратные токи достаточно малы (доли - десятки нА).

В целом, диоды с барьером Шоттки выгодно отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

более низкое прямое падение напряжения DUa - по сравнению с диодами с p-n-переходом величина DUaменьше на 0,2 - 0,3 В;

малый обратный ток;

почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления (рис. 2.9), поэтому они отличаются более высоким быстродействием;

максимальное обратное напряжение Uобр.max диодов Шоттки составляет около 150 В.

Малая величина DUaи малое время восстановления обратного сопротивления обусловливают область применения ДШ - низковольтные высокочастотные выпрямители, в которых происходит выпрямления малых напряжений высокой частоты. В среднем применение диодов Шоттки в выпрямителе позволяет снизить потери мощности примерно на 10…15 %.

http://wiki-linki.ru/Category/310540

Достоинства диодов Шоттки

В то время как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0.6 – 0.7 В, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0.2 – 0.4 В. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт. При больших обратных напряжениях, прямое падение становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки низковольтными цепями. Например, для силового диода Шоттки 30Q150 с максимально возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение напряжение нормируется на уровне от 0.75 В (T = 125°C) до 1.07 В (T = -55°C).

Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту диода. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая ёмкость перехода (т.е. короткое время восстановления) позволяет строить выпрямители, работающие на частотах в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 1000 В/мс.Б.

Благодаря лучшим временным характеристикам и малым емкостям перехода, выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, что делает их наиболее предпочтительными для применения в импульсных блоках питания аналоговой и цифровой аппаратуры.

Недостатки диодов Шоттки

Во-первых, при кратковременном превышении максимального обратного напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после падения напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства.

Во-вторых, диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30Q150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0.12 мА при +25°C до 6.0 мА при +125°C. У низковольтных диодов в корпусах ТО-220 обратный ток может превышать величину в сотни миллиампер (MBR4015 - до 600 мА при +125°C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.

Кроме того, из-за возможности отказа диодов Шоттки под действием температуры, необходимо строго соблюдать все рекомендуемые условия пайки (температурный режим и время пайки). Хотя надо отдать должное производителям диодов, так как многие из них добились того, что C в°монтаж сборок можно осуществлять при высокой температуре 250 течение 10 секунд.

http://www.qrz.ru/reference/kozak/diodes/dih00.shtml

http://www.smd.ru/info/diodinfo/

Справка по диодам

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 158; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!