Выпрямительные точечные диоды

Точечные диоды широко применяются на высоких частотах, а некоторые типы и на СВЧ (на частотах до нескольких сотен мегагерц), и могут также успешно работать на низких частотах. Эти диоды используются в самых различных схемах, поэтому их иногда называют универсальными. Германиевые и кремниевые диоды выпускаются с пре­дельным обратным напряжением до 150 В и максимальным выпрямленным током до 100 мА.

Импульсные диоды. Важнейшим параметром, определяющим возможность использования диода при коротких импульсах, является время восстановления обратного сопротивления т_вос. Для его уменьшения диоды изготовляют так, чтобы емкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Импульсные диоды выпускают на токи в импульсе до нескольких сотен миллиампер и предель­ные обратные напряжения в несколько десятков вольт.

Для наиболее коротких импульсов изготовляют одновременно в большом количестве так называемые мезадиоды (от испанского слова «меза» — стол). Сначала на пластинке основного полупроводника диффузионным методом создается слой с другим типом электропроводности. Далее • эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков.

Именно в этих защищенных областях остаются п — р-переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков» (рис. 3.18). Затем пластинка распиливается на отдельные части — диоды. Особенностью мезадиодов является уменьшенный объем базовой области. За счет этого сокращается время накопления и рассасывания носителей в базе. Одновременное изготовление большого числа диодов из одной пластинки обеспечивает также сравнительно малый разброс их характеристик и параметров.

Стабилитроны. Как было показано, вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рис. 3.19 дана типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Напряжение стабилизации U_Ст может быть примерно от 5 до 200 В, изменение тока стабилитрона от i_min до i_max составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Р_тах, рассеиваемая в стабилитроне,— от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление R_д = Δu/Δi в режиме стабилизации может быть от десятых долей ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения.

Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивление Rд от единиц до десятков ом. Чем меньше R_д, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы R_д = 0. Так как R_д является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току Сопротивление R₀ всегда во много раз больше R_д.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рис. 3.20. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором R_огр или R_б.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_H постоянно.

Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_oгp должно иметь определенное значение. Обычно R_oгp рассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E_min до Е_так, то можно R_oгp найти по следующей формуле:

где - среднее напряжение источника; I_ср = 0,5 (I_min + I_max) — средний ток стабилитрона; I_н = U_ст/R_н — ток нагрузки.

Если напряжение Естанет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным.

Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное E_max — E_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т. е. I_max — I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на АЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

Стабилизация в более широком диапазоне изменения Е возможна при уве­личении R_oгp. Но из формулы (3.18) следует, что большее R_oгpполучается при меньшем I_н, т. е. при большем R_H. Повышение Е_ср, также дает увеличениеR_orp.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е = const, a R_H изменяется в пределах от R_нmin до R_нmax. Для такого режима R_orp можно определить по средним значениям токов по формуле

где I_{н ср} = 0,5 (I_н.min + I_{н mах}), причем

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_orp постоянно и падение напряжения на нем, равное Е — U_cт также постоянно, то и ток в R_огр, равный I_ср + I_нср, должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона и ток 1_Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_н увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Эффективность стабилизации напряжения 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 по рис. 3.20 можно написать формулу 3.21

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить к _ст, равный нескольким десяткам.

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на R_orp велики, особенно в схеме каскадного соединения.

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_OTp- Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в Rогр, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Стабисторы. Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжения мало зависит от тока в некоторых его пределах. Как правило, стабисторы изготовляются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 – 3 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно несколько стабисторов. Особенность стабисторов — отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положи­тельный температурный коэффициент напряжения.

Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например в так называемых параметрических усилителях. На рис. 3.24 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный

Рис. 3.24. Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора переменной емкости

контур. Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Добавочный резистор Ri с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор С_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.

В качестве варикапов довольно успешно можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже Е_ст, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

Дата добавления: 2014-01-14