4 ДРІС

№4 ДӘРІС

Тақырыбы: Кремнийлі стабилитрон. Варикап.

Дәріс жоспары:

1. Кремнийлі стабилитронның құрылысы мен әсер ету принципі.

2. Кремнийлі стабилитронда кернеуді тұрақтандыру сұлбасы.

3. Варикаптың құрылысы мен әсер ету принципі.

4. Варикаптың параметрлері.

Тоғы өзгергенімен кернеуі тұрақты болып қалатын жартылай өткізгішті диод стабилитрон деп аталады. Стабилитрон әр түрлі құрылғыларда кернеуді тұрақтандыру үшін, яғни кернеуді өзгертпей ұстап тұру үшін қолданылады. Стабилитронның электрлік сұлбаларда шартты белгіленуі:

Жартылай өткізгішті диодтардың вольт-амперлік сипаттамасының электрлік тесілу аймағында кернеуді түрақтандыру үшін пайдалануға болатын бөлігі болады. Бұндай бөлік кремнийлі жалпақ диодтарда кері тоқтың кең шектікте өзгерісіне сәйкес болады. Бұл кезде тесілу кезеңі басталғанға дейін кері тоқ өте аз болады, ал тесілу режимінде, яғни тұрақтандыру режимінде ол тура тоқ сияқты болады.

Германийлі диодтарда электрлік тесілу өте тез жылулық тесілуге өтеді. Сондықтан тіректік диодтардың негізін жоғары температураға төтеп беретін кремнийден дайындайды. Үлкен кернеулерді тұрақтандыру үшін бірнеше тіректік диодтарды тізбектей жалғауға болады.

Қазіргі уақытта әр түрлі типті кремнийлі стабилитрондар көптеп шығарылады. Оларды тіректік диодтар деп атайды, өйткені олардан алынатын тұрақтандырылған кернеу кейбір жағдайда эталон ретінде, яғни тіректік диод ретінде пайдаланылады.

Кремниийлі стабилитрондар аз кернеулерге (вольт бірлігінде) арналып дайындалуы мүмкін, бұлар көптеген транзисторлық құрылғыларды қоректендіру үшін қажет.

Автоматика жүйелерінде стабилитрондар кернеудің өзгерісін тез сезетін датчиктер ретінде жиі пайдаланылады. Егер де сұлбаның кірісіндегі кернеу нақты (белгілі) кернеуден жоғарылайтын болса, стабилитрон тесіліп, онымен тізбектей жалғанған аппаратурадан тоқ жүреді.

1-суретте стабилитронның типтік вольт-амперлік сипаттамасы көрсетілген. Бұл сипаттамада кері тоқ кезінде тұрақтандыру режимінде кернеу аз өзгеретіні көрсетілген. Стабилитронның тура тоқ үшін сипаттамасы кәдімгі диодтардың сипаттамасына ұқсас болады.

1-сурет. Стабилитрон р - п өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасы

Стабилитронның вольт-амперлік сипаттамасының ерекше бір айырмашылығы – электрлік тесілу басталғаннан кейін стабилитронда туындалатын кернеудің салыстырмалы тұрақтылығы.

Міне сондықтан, стабилитронның вольт-амперлік сипаттамасында электрлік тесілу аймағының кернеуді тұрақтандыру үшін пайдалануға болатын бөлігі болады. Осы себепті, стабилитронның жұмысшы бөлігі ретінде вольт-амперлік сипаттамада кері тоқтың тасқынды өсуіне сәйкес келетін бөлігі қызмет етеді.

Кремнийлі стабилитрондардың негізгі параметрлері 1-суретте көрсетілген. Оларға:

- максималды тұрақтандыру тоғы I_ст.max, ондаған және тіпті жүздеген миллиамперді құрауы мүмкін;

- минималды тұрақтандыру тоғы I_ст.mіп, ондаған миллиамперді құрауы мүмкін;

- тұрақтандыру тоғы I_ст.н;

- тұрақтандыру кернеуі U_ст, 5 В-тен 200 В дейінгі шектіктерде өзгеруі мүмкін;

- максималды рұқсат етілген сейілу қуаты Р_ДОП, мәні милливаттан бірлік ваттқа дейінгі шектіктерде болады.

Жұмыстық нүктедегі дифференциалды кедергісі (тұрақтандыру тоғының орташа мәні кезінде).

Стабилитронның сапасы оның дифференциалды кедергісімен бағаланады. Бұл кезде ол аз болған сайын, оның сапасы жақсара түседі. Өйткені R_ДИФ айнымалы тоқтағы кедергі болғандықтан, оны статикалық кедергімен, яғни тұрақты тоқтағы кедергімен шатастырмау керек және статикалық кедергі келесі формуламен анықталады:

.

Стабилитрондар U_ст және Р_ДОП шамаларына сәйкес төменгі вольтті және жоғарғы вольтті, аз қуатты, орташа қуатты және үлкен қуатты болып бөлінеді.

Температураның ықпалы тұрақтандыру кернеуінің температуралық коэффициентімен бағаланады (КТК). КТК өзімен бірге температураның бір градус Цельсийге өзгеруі кезінде кернеудің салыстырмалы өзгеруін көрсетеді, яғни:

.

Тұрақтандыру кернеуінің мәндері мен КТК таңбасы негізгі жартылай өткізгіштің меншікті кедергісінен тәуелді болады.

Жұмыстық бөлігі өрістік тесілумен анықталатын төменгі вольтті стабилитрондар (U_ст < 6В) үшін кернеудің температуралық коэффициенті (КТК) теріс болады және шамасы бір градус Цельсийде 0.1% тең.

Орташа және үлкен қуатты жоғары вольтті диодтарда электрлік тесілу байқалады, олардың КТК оң болады.

6-7 В кернеуде кремнийлі стабилитрондарды меншікті кедергісі аз кремнийден, яғни көп шоғырлануы бар қоспалардан дайындалады. Бұл стабилитрондардың р - п өтпесінің қалыңдығы жұқа болады, онда жоғары кернеулі өріс әсер етеді және туннельдік эффекттің әсерінен тесілу болады. Бұл кезде КТК теріс болады.

Егер де аз шоғырланған қоспалы кремний қолданылса, онда р - п өтпесінің қалыңдығы қалың болады. Оның тесілуі жоғары кернеулерде болады және тасқынды болып саналады. Бұндай стабилитрондар үшін оң КТК тән.

2-суретте кернеуді тұрақтандыру сұлбасы келтірілген. R_ОГР кедергісі балластты кедергіге жатады. Оған кернеулердің артықтары беріледі.

Жүктеме стабилитронға параллель жалғанған. Сондықтан да тұрақтандыру режимінде (электрлік тесілу режимінде) стабилитронның кернеуі дерлік тұрақты болғанда жүктемеде де кернеу тұрақты болады. Қорек көзінің кернеуінің барлық өзгерісі оның тұрақсыздығына байланысты балластты резистормен R_ОГР түгел дерлік жұтылады. Көбінде стабилитрон қорек көзінің кернеуі тұрақсыз, ал жүктеме кедергісі тұрақты болған кездегі режимде жұмыс істейді. Тұрақтандырудың дұрыс режимін таңдау үшін және оны ұстап тұру үшін бұл кезде R_ОГР кедергісі толығымен белгілі болуы керек. Әдетте R_ОГР кедергісін стабилитрондардың сипаттамаларының тұрақтандыру бөлігінің орташа нүктесі үшін есептейді.

2-сурет. Стабилитронның жалғану сұлбасы

R_ОГР кедергісі және сонымен қатар ондағы кернеудің түсуі (U_ВХ - U _СТ) де тұрақты болатындықтан, R_ОГР кедергісіндегі тоқ та тұрақты болуы керек. Алайда бұл тек стабилитронның тоғы мен жүктеме тоғы бірдей дәрежеде, бірақ қарсы бағытқа өзгерген кезде мүмкін болады. Мысалы, егер жүктеме тоғы жоғарыласа, онда стабилитронның тоғы сондай дәрежеде төмендейді, ал олардың қосындысы өзгеріссіз қалады.

Тұрақтандыру кернеуін стабилитрон беретін кернеуден төмендеу етіп алу қажет болған жағдайда жүктемемен бірге тізбектей қосымша кедергіні жалғайды. Қосымша кедергінің мәнін Ом заңы бойынша оңай есептеуге болады (3-сурет).

3-сурет. Жүктемеде төмен кернеуді алу үшін кернеуді

тұрақтандыру сұлбасы

Стабилитрондар тізбекті асқын кернеулерден қорғау үшін кернеулер, шунттар стабилизаторлары ретінде қолданылады. Стабилитрондардың кішігірім аз уақытша тұрақсыздығы (0,01% жуық), оларды тіректік кернеу көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Жабу режимінде тесілу күйінен өтуі кезінде және кері жағдайда инерциялық құбылыстың жоқ болуы, оларды импульстік сұлбаларда шектегіштер, деңгейлік фиксаторлар, шешу элементтердің ауыстырып қосқыш құрылғылары ретінде қолдануға мұрсат береді.

Варикаптың құрылысы мен әсер ету принципі.

Варикаптар – жұмыс принципі р-п өтпенің сыйымдылығының кері кернеуден тәуелділігін пайдалануға негізделген жартылай өткізгіш диодтар.

Кері қосылу кезінде р-п өтпенің сыйымдылығы екі астарлы қабаты бар конденсатордың сыйымдылығы сияқты болады. Бұл сыйымдылықты баръерлі сыйымдылық деп айтады.

Варикап электрлі басқарылмалы сыйымдылығы бар элемент ретінде қолдану үшін арналған. Сонымен қатар варикаптарды параметрлік диодтар деп те атайды. Варикаптардың сұлбада шартты белгіленуі:

Баръерлі сыйымдылық, кәдімгі конденсаторлардың сыйымдылығы сияқты, р-п өтпенің ауданы мен жартылай өткізгіштің диэлектрлік өтімділігі жоғарылағанда және бөгеттік қабаттың қалыңдығы төмендегенде артады. Аз қуатты диодтардың өтпесінің ауданы аз болатындығына қарамастан, бөгеттік қабаттың қалыңдығының аз болуына және диэлектрлік өтімділіктің салыстырмалы үлкен болуына байланысты едәуір үлкен баръерлі сыйымдылық алынады. Өтпенің ауданына байланысты баръерлі сыйымдылық бірлік пикофарадтан жүздік пикофарадқа дейін болуы мүмкін.

Баръерлі сыйымдылықтың ерекшелігіне оның сызықты еместігі жатады, яғни өтпедегі кернеу өзгергенде баръерлі сыйымдылық та өзгереді. Егер кері кернеу жоғарылағанда бөгеттік қабаттың қалыңдығы қалыңдап, баръерлі сыйымдылық төмендейді.

Баръерлі сыйымдылық айнымалы тоқтың түзетілуіне кері ықпал етеді, себебі ол диодты шунттайды да, одан жоғары жиілікте айнымалы тоқ өтеді. Алайда баръерлі сыйымдылықтың жақсы жақтары да бар. Арнайы диодтар (варикаптар) тербелмелі контурларды қалыптастыру үшін өзгермелі сыйымдылықты конденсаторлар ретінде пайдаланылады, сонымен қатар сыйымдылықтың сызықты емес қасиеттеріне негізделген сұлбаларда да қолданылады. Олардың, сыйымдылығы механикалық жолмен өзгеретін өзгермелі сыйымдылықты конденсаторлардан айырмашылығы мынада: варикаптарда сыйымдылықты кері кернеуді реттеу арқылы өзгертеді. Термелмелі контурларды бұлай реттеуді электронды қалыптастыру деп атайды.

Варикаптарды кері бағытта қосады, өйткені тура ығысу кезінде р-п өтпенің сыйымдылығы оның аз кедергісімен шунтталады. Қорек көзінің ішкі кедергісімен варикаптың сыйымдылығын шунттауды азайту үшін, варикаппен бірге жоғары омды резисторды R тізбектей жалғайды. 4-суретте варикаптың эквивалентті сұлбасы көрсетілген.

4-сурет. Варикаптың эквивалентті сұлбасы

Варикаптың сапалылығының жиіліктен тәуелділігі 5-суретте келтірілген.

5-сурет. Варикаптың сапалылығының жиіліктен тәуелділігі

Варикаптың кері кернеуден тәуелділігі (6-сурет) оның негізгі сипаттамасы болып есептеледі.

6-сурет. Варикаптың сыйымдылығының кері кернеуден

тәуелділігі

Варикаптың негізгі параметрлерінің біреуіне, құрамына баръерлі сыйымдылық пен корпустың сыйымдылығы кіретін варикаптың жалпы сыйымдылығы С_В жатады, яғни бұл берілген кері кернеуде варикаптың шықпаларының арасында өлшенген сыйымдылық.

Варикаптың негізгі параметрлері:

- Варикаптың баръерлі сыйымдылықтан тәуелді болатын максималды сыйымдылығы;

- сыйымдылық бойынша бөгеттік коэффициент, кері кернеудің берілген екі мәндерінде варикап сыйымдылықтарының қатынасы;

- варикап минималды сыйымдылығы;

- варикаптың сапалылығы.

Варикаптарға бірқатар талаптар қойылады: аспаптың жоғары спалылығын жабдықтау, кері кернеудің өзгеруі кезінде сыйымдылықтың өзгерісінің максималды диапазоны; максималды сыйымдылықты арттыру.

Варикаптар радиоқабылдағыш құрылғылардың, генераторлардың резонанстық жүйелерін қалыптастыру үшін өзгермелі сыйымдылықты, электрлік басқарылмалы конденсаторлар ретінде, әр түрлі автоматты құрылғыларда жиіліктерді реттеу үшін кеңінен пайдаланылады.