Электроника_Книга (Электроника), страница 5

Образовавшиеся в результате столкновения свободные частицы, ускоряясь электрическимполем, вызывают ионизацию следующих атомов кристалла и появление новых носители заряда. Такой процесс называется ударной ионизацией. Он развивается лавинно, то есть одна частица выбивает ещеодну, две выбивают еще две, четыре выбивают еще четыре и так далее в геометрической прогрессии. По такому же закону увеличиваетсяи обратный ток, причем напряжение на p–n переходе остается практически постоянным на всем протяжении лавинного пробоя. Наружное кольцо периферийной части при этом не пробивается.

Поэтомуэти процессы не вызывают порчу прибора.Тепловой пробой ЛД наступает тогда, когда обратный ток достигает предельной величины, температура p–n перехода превышает максимально допустимую, в результате чего прибор выходит изстроя. Однако это происходит при значительно больших обратныхтоках, чем у обычных диодов. Некоторые ЛД способны кратковременно (0,1 мс) пропускать обратные токи до 0,1 IFAVm.2.1.2 ВАХ лавинного диодаНа рисунке 2.2 (кривая 1) приведена ВАХ реального ЛД типаДЛ133–500–14.

Для сравнения на этом графике (кривая 2) показанаВАХ обычного диода типа Д133–500–14.Из этого рисунка наглядно видны преимущества ЛД, по сравнению с обычным, при работе их в непроводящем направлении. Еслиу обычного диода в т. С2 при U(BR)2 = 1,33URRM = 1,33 · 1400 = 1862 Bнаступает тепловой пробой (участок С2 – D2 на кривой 2) и диод выходит из строя, то у ЛД в т.

С1 начинается лавинный пробой (участокС1 – С1' на кривой 1), обратный ток резко возрастает до 10 А, напряжение остается постоянным, и диод продолжает работать.Напряжение, при котором начинается лавинный пробой, называется напряжением лавинообразования. Его можно найти по приближенной формуле U(BR)1 =1,25·URRM = 1,25 · 1400 = 1750 B. Для более точныхрасчетов U(BR)1 необходимо определять из паспортных данных прибора.Тепловой пробой ЛД наступает в т. С1′ (участок С1′ – D1 на кривой 1)при практически том же напряжении лавинообразования.Наряду с очевидными достоинствами ЛД обладают и некоторыми недостатками.

Из рисунка 2.2 видно, что в проводящем направ28лении их ВАХ (кривая 1) идет правее ВАХ обычного диода (кривая2). Это говорит о том, что при одних и тех же размерах выпрямительного элемента (1 на рисунках 1.7 и 1.8) у ЛД пороговое напряжениеU(ТО) и дифференциальное сопротивление rТ несколько больше, чему обычных. Это приводит к дополнительным потерям энергии припропуске прямого тока.Рисунок 2.2 – ВАХ лавинного ДЛ133–500–14 (1)и обычного Д133–500–14 (2) силовых диодовБлагодаря вышеописанным свойствам ЛД устойчивы к кратковременным перенапряжениям с большой амплитудой. Такими являются атмосферные перенапряжения, возникающие во время грозы.Поэтому ЛД нашли широкое применение в выпрямительных преобразователях, как в промышленности, так и на транспорте.

Кроме этого, для снижения перенапряжений в электроустановках иногда применяют один (в цепях постоянного тока) или два последовательнои встречно соединенных (в цепях переменного тока) ЛД, включенных параллельно защищаемому устройству.29По своему конструктивному выполнению ЛД полностью совпадают с обычными (рисунки 1.7 и 1.8), за исключением конструкцииp–n перехода.Предельно допустимые значения и характеризующие параметры уЛД те же, что и у обычных. Отличия заключаются в том, что у ЛД неттакого предельно допустимого значения, как неповторяющееся импульсное обратное напряжение URSM , а пробивное напряжение U(BR)является напряжением лавинообразования.2.2 Стабилитроны2.2.1 Назначение и ВАХ кремниевого стабилитрона (КС)Стабилитрон – кремниевый полупроводниковый диод со ступенчатым p–n переходом, напряжение на обратной ветви ВАХ которогов области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего по нему тока.

Стабилитроны служат для стабилизации напряжения в схемах малой и средней мощности.Кремниевый стабилитрон по своему конструктивному выполнению, условному обозначению и ВАХ полностью совпадает с лавинными диодами (рисунки 2.1 и 2.2), рассмотренными в подразделе2.1.

Отличие заключается в том, что КС, как правило, не используется для выпрямления тока. Они включаются в схемах в обратномнаправлении и работают на обратной ветви ВАХ в режиме лавинного пробоя. Серийные КС изготавливаются на напряжения стабилизации от 3 до 400 В.Основной характеристикой КС является его ВАХ, которая снимается как статическая по схеме, приведенной на рисунке 1.10, б.На рисунке 2.3 представлена ВАХ реального маломощного КС.Из рисунка 2.3 видно, что в прямом направлении КС имеет ВАХ,аналогичную обычному диоду, что, в принципе, позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. В обратном направлении ВАХ КС повторяет ВАХ лавинного диода. До наступления лавинного пробоя (участок ОС) через прибор протекают незначительныетоки утечки, а его сопротивление весьма высоко.

При наступлениилавинного пробоя (участок CD) ток через КС резко возрастает, а егодифференциальное сопротивление падает до величин, составляющихдля различных приборов от долей Ома до десятков Ом. Поэтому научастке CD напряжение на стабилитроне UСТ поддерживается прак30тически неизменным в широком диапазоне изменения обратных токов от IСТ MIN до IСТ MAX. При дальнейшем увеличении обратного тока,когда IR > IСТ MAX , происходит тепловой пробой p–n перехода, стабилизация нарушается, и КС выходит из строя. Участок CD обратнойветви ВАХ является рабочим участком КС.Рисунок 2.3 – Статическая ВАХ стабилитрона2.2.2 Параметры стабилитронаТак как КС работает только на обратной ветви ВАХ, то его основные параметры относятся к непроводящему направлению:1) напряжение стабилизации UСТ – падение напряжение на КС припротекании по нему тока IСТ СР (2.2), определяется как проекция т.

Рна ось напряжений (рисунок 2.3);2) минимальный ток стабилизации ICТ MIN – обратный ток КС, прикотором наступает его лавинный пробой; определяется как проекция т. С на ось токов (рисунок 2.3);313) максимальный ток стабилизации ICТ MАХ – обратный ток КС, припревышении которого лавинный пробой переходит в тепловой; определяется как проекция точки D на ось токов (рисунок 2.3);4) дифференциальное сопротивление rT – сопротивление, определяемое на рабочем участке КС по выражению rT = ΔUCT/ΔICT, где ΔUCTи ΔICT – разность проекций двух точек рабочего участка (например,С' и D' на рисунке 2.3), соответственно на ось напряжений и токов;5) температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН –показывает, на сколько изменяется напряжение стабилизации в процентах от UСТ при изменении температуры на 1 °СТКН =ΔU CT⋅100% .U CT ⋅ ΔT2.2.3 Схема включения стабилитрона для стабилизацииизменяющегося напряженияРаботу КС как стабилизатора напряжения рассмотрим на примере схемы, которая приведена на рисунке 2.4.

Она состоит из:1) источника входного напряжения UВХ, величина которого изменяется в пределах от UВХ MIN до UВХ MAX;2) ограничительного резистора с сопротивлением R0;3) нагрузочного резистора с сопротивлением RН;4) стабилитрона VD, который включен параллельно нагрузке в непроводящем направлении.Рисунок 2.4 – Схема подключения стабилитрона к нагрузке32Допустим вначале, что входное напряжение равно:U BX = U BX CP =U BX MIN + U BX MAX.2(2.1)В этом случае рабочая точка КС будет расположена в т.

Р – посередине участка CD на обратной ветви ВАХ (рисунок 2.5), а ток, протекающий по КС, будет определяться следующим выражением:I CT = I CT CP =I CT MIN + I CT MAX2.(2.2)Так как по ограничительному резистору R0 будет протекать сумма токов КС и нагрузки (рисунок 2.4), то на нем возникнет падениенапряженияU R 0 CP = R0 (I CT CP + I H ) .(2.3)Рисунок 2.5 – Обратная ветвь ВАХ стабилитронаСогласно второму закону Кирхгофа, к нагрузке будет прикладываться напряжениеU H = U BX CP −U R 0 CP = U BX CP − R0 (I CT CP + I H ) = U CT .33(2.4)Допустим, что входное напряжение в схеме по рисунку 2.4 уменьшилось на величину ΔUВХ MIN и стало равноUВХ MIN = UВХ СР – ΔUВХ MIN .(2.5)При этом уменьшится напряжение и на КС.

Это приведет к смещению рабочей точки вверх по участку CD из т. Р в т. С' (рисунок 2.5).Ток по КС резко снижается до ICT MIN′ и, соответственно, уменьшается падение напряжения на R0 доU R 0 MIN = R0 (I CT MIN '+ I H ) .Если сопротивление R0 рассчитано и выбрано правильно, то падение напряжения на ограничительном резисторе уменьшится ровно настолько, насколько уменьшилось входное напряжения илиΔUВХ MIN = UВХ СР – UВХ MIN = UR0 СР – UR0 MIN .(2.6)Тогда, согласно второму закону Кирхгофа и с учетом выражений(2.5) и (2.6), напряжение на нагрузке при уменьшении входного напряжения будет равноUН = UВХ MIN – UR0 MIN = (UВХ СР – ΔUВХ MIN) – (UR0 СР – ΔUВХ MIN) == UВХ СР – UR0 СР .Сравнивая последнее выражение с (2.4), можно сделать вывод, чтопри уменьшении входного напряжения на величину ΔUВХ MIN напряжение на нагрузке осталось неизменным и равным UСТ .Если ICТ MIN′ < ICT MIN , то рабочая точка КС перейдет на участок ОС(рисунок 2.5), и стабилизация нарушится.При увеличении входного напряжения в схеме по рисунку 2.4 навеличину ΔUВХ MАХ напряжение на входе будет равноUВХ MАХ = UВХ СР + ΔUВХ MАХ .(2.7)При этом увеличивается напряжение и на КС.

Это приведет к смещению рабочей точки вниз по участку CD из т. Р в т. D' (рисунок 2.5).Ток по КС резко возрастает до ICT MАХ′ и, соответственно, увеличивается падение напряжения на R0 доU R 0 MAX = R0 (I CT MAX '+ I H ) .Если сопротивление R0 рассчитано и выбрано правильно, то падение напряжения на ограничительном резисторе увеличится ровно настолько, на сколько увеличилось входное напряжение, или34ΔUВХ MАХ = UВХ MАХ – UВХ СР = UR0 MАХ – UR0 СР .(2.8)Тогда, согласно второму закону Кирхгофа и с учетом выражений(2.7) и (2.8), напряжение на нагрузке при увеличении входного напряжения будет равноUН = UВХ MАХ – UR0 MАХ = (UВХ СР + ΔUВХ MАХ) – (UR0 СР + ΔUВХ MАХ) == UВХ СР – UR0 СР .Сравнивая последнее выражение с (2.4), можно сделать вывод, чтопри увеличении входного напряжения на величину ΔUВХ MАХ напряжение на нагрузке осталось неизменным и равным UСТ .Если ICТ MАХ′ > ICT MАХ, то рабочая точка КС опустится ниже т.

D(рисунок 2.5), произойдет тепловой пробой, и КС выйдет из строя.Таким образом, несмотря на то, что в схеме по рисунку 2.4 входное напряжение изменяется в пределах от UВХ MIN до UВХ MAX, напряжение на нагрузке остается неизменным и равным напряжению стабилизации КС UСТ .Это происходит потому, что в данной схеме стабилитрон и ограничительный резистор работают совместно. Стабилитрон изменяетток, протекаемый по нему и ограничительному резистору, в широких пределах, поддерживая напряжение на своих выводах практически неизменным, а ограничительный резистор создает на себепадения напряжения, которые компенсируют изменения входного напряжения.2.2.4 Расчет и проверка параметров схемыПолучим формулу для определения величины сопротивленияограничительного резистора.