Отечественная электрическая сеть представляет собой переменный ток напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Бытовая аппаратура подключается в сеть переменного тока, а отдельные узлы и блоки этой аппаратуры работают на постоянном токе. Для работы бытовой аппаратуры необходимые затраты электрической энергии обеспечиваются вторичными источниками питания, использующими энергию первичных источников питания.
Вторичные источники питания разделяются на источники постоянного и переменного напряжения, которые в свою очередь делятся на стабилизированные и нестабилизированные.
Нестабилизированные источники применяются для питания аппаратуры, энергопотребление которой не изменяется в процессе работы. Они разделяются на однополупериодные, т. е. использующие полупериод переменного тока, и двухполупериодные, использующие два полупериода. Деление обусловлено способом включения выпрямительных диодов.
На рис. 5.7 показана принципиальная схема источника питания с однополупериодным выпрямлением.
|
| Рис.5.7. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя: TV – трансформатор переменного тока; RC – интегрирующая цепочка |
При отсутствии после диода сопротивления и конденсаторов (интегрирующей цепочки) наблюдались бы только отдельные полупериоды тока. Сглаживание и фильтрация пульсации происходят в данной схеме интегрирующей цепочкой RC. Уровень пульсации обычно выражают величиной пульсации DU. Однополупериодные источники используются в тех видах аппаратуры, где понижены требования к величине пульсации выходного напряжения. При повышенных требованиях к величине пульсации DU применяют двухполупериодные выпрямители (рис. 5.8).
В этом выпрямителе применена схема из четырех диодов. Принцип работы этой схемы следующий. Если в точке А в момент времени t1 имеется положительный полупериод переменного тока, то диод VД2 открыт и пропускает этот ток, а диод VД1 закрыт. Если в следующий момент времени t2 в точке А имеется отрицательный полупериод переменного тока, то диод VД2 закрывается, а диод VД1 пропускает ток. Поэтому получаем непрерывную цепочку полупериодов тока. Конденсатор С сглаживает уровень пульсации до величины DU. Следует отметить, что двухполупериодные выпрямители имеют меньшие энергопотери по сравнению с однополупериодным.
|
| Рис. 5.8. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя |
Стабилитроны
Полупроводниковым стабилитроном, или опорным диодом, называют плоскостный полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого отражает слабую зависимость напряжения от тока в области электрического пробоя (рис. 5.9).
Рабочий участок вольт-амперной характеристики стабилитрона обусловливается электрическим пробоем p-n- перехода при включении диода в обратном направлении. Подобной вольт-амперной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного полупроводникового материала. При этом напряженность электрического поля в p-n- переходе стабилитрона значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n- переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. Напряжение, при котором происходит лавинный пробой, зависит от удельного сопротивления полупроводникового материала. С ростом удельного сопротивления напряжение лавинного пробоя увеличивается.
  
|
| Рис. 5.9. Вольт-амперная характеристика стабилитрона КС104А |
Так как кремниевые диоды имеют меньшее значение обратного тока, обладают большей устойчивостью к тепловому пробою, чем германиевые диоды, поэтому в качестве стабилитронов применяют только кремниевые диоды.
Основными электрическими параметрами стабилитрона являются (в скобках даны их типовые значения):
1. Напряжение стабилизации Uст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – сотни вольт);
2. Ток стабилизации Iст – номинальное значение тока, протекающего через стабилитрон, определяющее напряжение стабилизации (несколько мА – несколько А);
3. Дифференциальное или динамическое сопротивление rст, которое определяется при заданном значении тока стабилизации на участке пробоя как
.
Дифференциальное сопротивление определяет наклон обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона. Величина rст колеблется в пределах от 1 до 1000 Ом.
4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКНст – относительное изменение напряжения стабилизации DUст / Uст к изменению температуры окружающей среды на DТ, т.е. при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока стабилизации (± сотые – тысячные доли процента на градус)
[%/град].
ТКН для сплавных переходов равен 0,37 %/град, а для диффузионных – 0,3 %/град.
Кроме того, в технических условиях на стабилитроны указываются следующие предельно-допустимые режимы эксплуатации.
1. Максимально-допустимый ток стабилизации в диапазоне температур Iст. макс (десятки мА ÷ единицы А), определяемый максимально-допустимой мощностью.
2. Минимальный ток стабилизации в диапазоне температур Iст. мин (от 1 ÷ 3 мА);
3. Максимально-допустимая мощность в диапазоне окружающей температуры Рмакс (от нескольких милливатт до нескольких ватт);
На рис. 5.10 представлена простейшая схема стабилизации напряжения постоянного тока на стабилитроне. По этой схеме осуществляется стабилизация напряжения как при изменении входного напряжения, так и при изменении величины сопротивления нагрузки.
|
| Рис. 5.10. Схема включения полупроводникового стабилитрона в схему стабилизации напряжения на нагрузке |
При возрастании входного напряжения увеличивается ток стабилитрона, а, следовательно, и обратный ток Iо и падение напряжения на ограничительном сопротивлении Rогр. Приращение напряжений DUвх и DIоRогр взаимно компенсируются, поэтому напряжение стабилизации остается прежним.
Величина ограничительного сопротивления может быть определена по формуле
,
где Iн – ток, протекающий через сопротивление нагрузки.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов, в том числе стабилитронов, имеет крутой подъем, поэтому для стабилизации малых напряжений (порядка 0,8 ÷1,5 В) можно использовать кремниевые диоды, включенные в прямом направлении.
Отечественная промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 5 до 300 В при токе стабилизации от 0,1 мА до 2 А и при рассеиваемой мощности от 0,15 до 50 Вт.
Варикапы
Ранее указывалось, что ширина p-n- перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.
Варикап – это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости.
В варикапах используется свойство барьерной емкости обратно-смещенного p-n- перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.
Барьерная емкость p-n- перехода равна емкости плоского конденсатора
,
где 
– площадь p-n- перехода; 
– ширина p-n- перехода.
С увеличением обратного напряжения Uобр на p-n- переходе его барьерная емкость Сб уменьшается. Характер изменения Сб в зависимости от приложенного к p-n- переходу напряжения Uобр показан на рис. 5.11. Емкость варикапа меняется в широких пределах и его значение при обратном приложенном напряжении U определяют из выражения
,
где Св (0) – емкость при U = 0; Uк – значение контактной разности потенциалов, равное
;
m = 2 для резких переходов и m = 3 для плавных переходов.
|
| Рис. 5.11. Зависимость емкости варикапа от напряжения смещения |
Варикапы изготовляют на основе германия, кремния, арсенида галлия.
Основные параметры варикапа: номинальная (начальная) емкость Сном; добротность Qв, коэффициент перекрытия по емкости Кс и температурный коэффициент емкости (ТКЕ) aСв.
Номинальная емкость варикапа Сном – барьерная емкость p-n- перехода при заданном напряжении смещения и составляет от долей пФ до сотен пФ.
Коэффициент перекрытия по емкости Кс – отношение емкости варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:
.
Смакс ограничивается емкостью при U = 0, т.е. С (0). Смин ограничивается обратным допустимым напряжением. Кс позволяет определить величину изменения емкости в диапазоне рабочих напряжений от Uмин до Uмакс (Uмакс по абсолютной величине может достигать 200 В). Характерные значения Кс составляют 2 – 20, причем если плавные и резкие p-n- переходы имеют обычно Кс £ 4, то в случае сверхрезких p-n- переходов Кс имеют большие значения.
Добротность Qв – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала Хс к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Qв измеряют обычно при тех же обратных напряжениях, что и емкость варикапа. Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот
(f > 1 МГц), для которых
,
где r – последовательное (по отношению к С) сопротивление диода, включающее сопротивление потерь в объеме кристалла полупроводника, сопротивление контакта и элементов конструкции. В настоящее время достигнуты значения Qв > 500 на
f = 50 МГц при С = 70 пФ.
Температурный коэффициент емкости acв – отношение относительного изменения емкости к вызывающему его абсолютному изменению температуры окружающей среды, т.е. другими словами относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 1 градус:
.
Для кремниевых варикапов с резким p-n- переходом ТКЕ имеет значение порядка 5·10–4 град–1 при | U | = 4 В. С усилением зависимости емкости варикапа от напряжения, а также при понижении Uмин ТКЕ возрастает и при U = 1 В может достигать 5·10–3 град–1.
В радиоэлектронных устройствах свойство нелинейного изменения емкости варикапа используют для получения параметрического усиления, умножения частоты и т.д., а возможность электрического управления емкостью – для дистанционной и безынерционной перестройки резонансной частоты колебательного контура.
Контрольные вопросы
1. Какой полупроводниковый прибор называют диодом?
2. Расскажите о методе получения точечного диода.
3. Какова схема получения сплавного перехода?
4. Какие Вы знаете диффузионные методы получения p-n- перехода?
5. Начертите вольт-амперную характеристику диода и покажите на ней основные параметры диода.
6. Чем отличается ВАХ германиевого диода от кремниевого?
7. Начертите принципиальную схему однополупериодного выпрямителя на диоде.
8. Начертите принципиальную схему двухполупериодного выпрямителя на диодах.
9. Какой диод называют стабилитроном?
10. Начертите ВАХ стабилитрона и назовите его основные электрические параметры.
11. Какое свойство диода используется в варикапе?
12. Начертите зависимость емкости варикапа от напряжения смещения.
13. Назовите основные электрические параметры варикапа.