Диод д7 характеристики. Описание экспериментальной установки. Схема установки, предназначенной для изучения вольтамперной характеристики германиевого диода типа Д7Ж при его прямом включении
Предлагаем несложный вариант двухдиапазонной KB J-антенны, испытанной на диапазонах 21 и 28 МГц. Авторам давно хотелось практически проверить такую антенну в работе. Виктор, UA6G, взял на себя разработку и выполнение механической конструкции, а Владимир, UA6HGW, сделал необходимые расчёты и провел настройку антенны.
В KB и УКВ диапазонах широко используют различные вертикальные штыревые антенны. Причем чаще всего применяют четвертьволновые вертикальные вибраторы с системами противовесов или «искусственной земли», благодаря которым эти антенны и работают, будучи, в принципе, аналогами полуволнового вибратора. К сожалению, выполнить качественную систему «искусственной земли» или противовесов не так просто , а некачественная система резко снижает КПД антенны в целом. Тем не менее, антенны типа Ground Plane пользуются у радиолюбителей большой популярностью. При этом многие уделяют внимание лишь качественному выполнению самого четвертьволнового излучателя и, в связи с недостатком площади для размещения полноценной системы заземления», часто не обращают внимания на «землю», используя различные суррогатные системы противовесов либо заземления. Необходимо сделать оговорку, что в УКВ диапазоне такой проблемы практически не существует, т.к. основание антенны и противовесы можно поднять на достаточную высоту, что позволяет разместить систему, рассчитанную для работы даже на самых длинных метровых волнах.
Если площади для размещения антенн других типов недостаточно, то для высокочастотного участка KB диапазона лучше использовать вертикальный полуволновой вибратор, питаемый с нижнего конца и установленный без растяжек. Для согласования его высокого сопротивления с низким сопротивлением фидера используют различные согласующие устройства - как резонансные, так и широкополосные. Один из наиболее известных и простых способов согласования - с помощью четвертьволнового трансформатора сопротивлений. Причем различают два способа питания с помощью такого трансформатора - последовательный и параллельный .
При последовательном питании используется четвертьволновая линия, которая может быть выполнена в виде воздушной линии либо линии с твердым диэлектриком. Чаще для этого используют симметричные линии. Недостаток этого способа питания - необходимость установки на нижнем конце вибратора изолятора, что на KB диапазонах вызывает конструктивные трудности и снижает надежность конструкции.
При параллельном питании нижний конец линии трансформатора, который иногда называют шлейфом, можно закорачивать с вибратором и заземлять, что конструктивно более удобно, т.к. позволяет отказаться от применения громоздкого опорного изолятора. Точки подключения фидера в этом случае выбирают выше, на заранее рассчитанном расстоянии от нижнего конца линии, которое потом уточняют в процессе настройки антенны по минимуму КСВ. Это несколько затрудняет настройку антенны и сужает полосу рабочих частот, а также требует применения дополнительных мер для снижения антенного эффекта фидера.
В обоих случаях волновое сопротивление линии четвертьволнового трансформатора должно быть правильно рассчитано и одинаково на всем ее протяжении. Классической J-антенной чаще всего называют именно такую конструкцию. У нее длина основного вертикального элемента - излучатель плюс линия - составляет 3/4Lamda*К
,
где К
- коэффициент укорочения, зависящий от конфигурации и поперечных размеров этих элементов.
Как показал опыт, эти размеры могут быть различными для разных участков излучателя и линии.
Радиолюбители чаще всего используют J-антенны в диапазоне УКВ и высокочастотной части KB диапазона, где их конструкции, обладая необходимой прочностью, не слишком сложны и громоздки.
Основной вертикальный элемент 1 (рис.1) - заземленная мачта, служащая также излучателем, выполнена из трех стальных труб разного диаметра, соединенных по телескопическому принципу. Трубы звеньев были точно подобраны по диаметрам так, чтобы они плотно входили друг в друга. Длина труб была выбрана с таким расчетом, чтобы конец одной заходил в другую на расстояние, достаточное для того, чтобы вся конструкция антенны прочно держалась и не качалась без растяжек. Поэтому точную длину всего вертикального элемента в сборе указать трудно, но она, по нашим расчетам, оказалась не менее 12 м. Нижняя труба - основание антенны длиной около 5 м и наружным диаметром 90 мм - была установлена на уровне земли на бетонном основании внутри небольшого помещения и выходила через отверстие в плоской железобетонной крыше 6, которая электрически соединена с контуром заземления. После сборки системы в узлах соединений трубы крепились с помощью двух винтов диаметром 10мм с гайками. Гайки были заранее надежно приварены к наружной поверхности на конце труб в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения согласующих элементов 2. Винты 7 вкручивали в гайки, зажимая основание трубы следующего звена.
Элементы 2 согласующих воздушных линий выполнены из стальной трубы диаметром 0,5 дюйма для диапазона 21 МГц и оцинкованного прутка диаметром около 8 мм для 28 МГц. В связи с тем, что элемент 1 и элементы 2 пришлось выполнить разного диаметра, некоторую сложность вызвал предварительный расчет размеров излучателей и воздушных линий, т.к. при такой конструкции коэффициенты укорочения К будут различными не только для разных диапазонов в соответствии с частотой, но и в связи с изменением соотношения диаметров труб. По этой причине для расчета было выбрано несколько различных приближенных практических формул. Они приведены в табл.1 вместе с результатами вычислений.
По нашему мнению, в подобных случаях расстояние D лучше указывать для воздушного промежутка между элементами 1 и 2, меньше которого его делать не следует. Расстояние С предварительно взято 0.03Lamda. Практика показала, что точное значение можно определить лишь после настройки конкретной антенны на выбранные частоты.
Первоначальный расчет антенны был сделан для работы в телеграфном участке диапазона 21 МГц. Все размеры для практического выполнения конструкции мы выбрали исходя из компромисса между реальными возможностями и расчетами, которые можно было корректировать, проверяя с помощью программы MMANA-GAL. Для обеспечения надежного электрического контакта с верхнего конца мачты к нижнему были проложены два медных проводника из антенного канатика в плоскости расположения согласующих элементов, которые дополнительно прикреплялись к каждому звену с помощью обычных плоских хомутиков, стягиваемых винтами с гайками. Чтобы не загружать рис.1, на нем условно показан только один из канатиков 3. На трубках согласующих линий также желательно закрепить дополнительные медные проводники из антенного канатика либо одножильного медного провода. При выборе таких конструктивных решений была учтена «склонность» некоторых граждан к «охоте» за цветным металлом, поэтому большинство основных элементов были выполнены из стали. Следует учесть, что при использовании разнородных металлов может возникнуть их коррозия, и как результат - увеличение шумов при приеме. Поэтому желательно использовать металлы, расположенные в гальваническом ряду как можно ближе друг к другу, или прибегнуть к дополнительным мерам (например, к облуживанию медных проводников свинцово-оловянным припоем и улучшению контактов с помощью пайки). Это относится даже к мелким элементам, используемым в конструкциях, - к болтам, шайбам, гайкам и т.п.
В табл.2 приведена часть гальванического ряда наиболее часто используемых металлов.
Другой особенностью конструкции является то, что элементы согласующих линий пришлось выполнить из стальной трубки и прутка меньшего диаметра, чем вибратор, т.е. не так, как рекомендуется в литературе. Поэтому расстояние между вибратором и согласующими вертикальными элементами 2 было выбрано компромиссное и оказалось несколько меньше расчетного, полученного с помощью программы MMANA. Это вызывало некоторые сомнения в возможности получения хорошего согласования с кабелем питания. В линиях установлены еще несколько важных элементов, которые не показаны на рис.1, чтобы не загружать его. Это пластины, установленные для прочности и фиксации воздушного промежутка между вибратором и согласующими линиями. Их нужно выполнить из изоляционного материала с хорошими изоляционными свойствами на высоких частотах, не теряющего их под воздействием влажности (например, из стеклотекстолита или оргстекла, по несколько штук для элемента 2 каждого диапазона). Причем нижние пластины можно объединить непосредственно с хомутиками 5, а верхние установить ближе к концам линий. Их положение можно изменять при настройке, фиксируя металлические хомутики на трубах винтами. С помощью хомутиков 5 можно регулировать точки подключения кабеля, центральная жила и оплетка которого должны быть надежно соединены с ними, лучше всего с помощью пайки. Для облегчения процесса настройки на согласующих звеньях также установлены подвижные хомутики 4, с помощью которых можно подбирать полную рабочую длину вибратора антенны и длину согласующих элементов. После окончательной настройки их желательно соединить с дополнительными медными проводниками 3.
Сомнения вызывал вопрос выбора наилучшего варианта подключения центральной жилы кабеля и оплетки . В литературе трудно найти конкретный ответ, т.к. встречаются различные варианты, т.е. подключение к согласующим элементам либо к основному вибратору, что чаще используют в УКВ диапазоне. На удивление, практически выяснилось, что в данном случае хорошего согласования можно достичь, только подключив центральную жилу к элементам 2, а оплетку - к вибратору 1.
Процесс предварительной настройки антенны оказался сложным, но, в итоге, успешным. Настройка осуществлялась с помощью прибора MFJ259. Затем ее результаты корректировались по показаниям КСВ-метра уже при достаточной мощности передатчика, и окончательно - при полной мощности в разных участках диапазонов.
Так как в антенне используется параллельное питание, проявились все его недостатки. Два 50-омных кабеля фидеров 8 марки РК50-9-12 были проложены внутри основной мачты, для чего в ней пришлось сделать 4 отверстия необходимого диаметра. Этого оказалось недостаточно, и на выходе из мачты излишки кабелей пришлось свернуть в две отдельные бухты, что позволило уменьшить антенный эффект. Переключение антенны с одного диапазона на другой производилось без каких-либо переключателей, с помощью разъемов, что не исключает применение специальных коаксиальных переключателей, механических или на коаксиальных реле.
Антенну первоначально изготовили и настроили в телеграфный участок диапазона 21 МГц. Как показала практика, вначале необходимо подобрать длину вибратора А1 и линии В1, настроив их на необходимую резонансную частоту с помощью подвижного хомутика-перемычки 4, который фиксируется винтами с гайками. Это лучше всего сделать, используя индикатор резонанса (ГИР) или анализатор антенн (например, MFJ259), если к нему имеются специальные дополнительные элементы, позволяющие осуществлять связь прибора с антенной без подключения к ней. Затем надо предварительно выбрать расстояние С1 - т.е. место подключения кабеля по минимуму КСВ на выбранной частоте, регулируя его хомутиками 5, и откорректировать настройку более точно, несколько раз повторив все указанные регулировки.
После испытания антенны на этом диапазоне, убедившись, что она достаточно эффективна, мы добавили к ней элементы согласования для диапазона 28 МГц и настроили систему на этот диапазон тем же способом. После того как настроили антенну для этого диапазона, пришлось немного откорректировать согласование на 21 МГц и затем опять проверить настройку на 28 МГц. В процессе корректировки подстройку на разных диапазонах приходилось повторять несколько раз. При практической работе на диапазоне 28 МГц мы также неоднократно убеждались в высокой эффективности антенны, т.к. при небольшой мощности удавалось успешно проводить радиосвязи как с ближними, так и с дальними корреспондентами.
На рис.2 и 3 показана зависимость КСВ от частоты, полученная в итоге настройки для диапазонов 21 и 28 МГц, а на рис.4 и 5 - диаграммы направленности, полученные в соответствии с расчетами для оптимальных вариантов J-антенны по программе MMANA.
Необходимо отметить, что хорошей работе антенны, вероятно, способствовал и тот факт, что вблизи на значительном расстоянии не было никаких более высоких посторонних предметов, т.к. иногда ее хорошая работа даже удивляла тем, что дальние корреспонденты давали более высокие оценки сигнала по сравнению со станциями, работающими недалеко от нашего населенного пункта и использующими направленные антенны и более мощные передатчики.
Подобную конструкцию, по нашему мнению, можно предложить и для других высокочастотных KB диапазонов, пересчитав антенну. Вероятно, к ней можно добавить верхнее звено, рассчитанное для работы на 144МГц. Примеры подобных комбинированных J-антенн в практике имеются.
За время использования антенны на трансивере мощностью не более 100 Вт удалось провести большое количество дальних радиосвязей. Это подтвердило, что она не только эффективно работает при передаче, но и обеспечивает хороший дальний прием с низким уровнем помех. Конструкция оказалась прочной и надежной - антенна простояла уже более 5 лет и, несмотря на очень сложные, резко меняющиеся метеоусловия в нашем регионе, хорошо выдержала все испытания.
7.3.4. Антенны, антенные комплексы, антенные поля вч-диапазона
В общем случае к передающим и приемным антеннам предъявляются разные требования, определяющие и характеризующие их электродинамический режим. Однако основное принципиальное отличие требований следующее:
для передающих антенн на первый план выдвигается требование по обеспечению как можно большего КПД;
для приемных антенн на первый план выдвигается требование по обеспечению высокой помехоустойчивости, т.е. высокого КНД и отсутствию или низкому уровню боковых лепестков.
Большинство направленных передающих и приемных антенн ВЧ диапазона представляют собой антенные решетки, хотя по внешнему виду их часто трудно отнести к разряду антенных решеток: ромбические антенны (РГ, РГД), вибраторные антенны бегущей волны (БС, БСВН), логопериодические антенны (ЛПА).
Передающие антенны
В настоящее время на передающих радиостанциях и радиоцентрах для связи на малые (до 300 км) и средние (до 1000 км) дальности применяют слабонаправленные диапазонные антенны типа ВГ, ВГД, ВГДШ (вибратор горизонтальный (диапазонный) (шунтовой)) (ВГ, гдеl – длина плеча вибратора; h – высота подвеса антенны над землей; d – диаметр кольца вибратора.), а также антенны УГД и УГДШ (уголковая горизонтальная диапазонная (шунтовая) антенны), имеющие в горизонтальной плоскости круговую диаграмму направленности. Для перекрытия диапазона волн от 12 до 150 м необходим антенный комплекс из пяти антенн типа ВГДШ (рис. 7.40):
ВГДШ
;
ВГДШ
;
ВГДШ
;
ВГДШ
и ВГДШ
.
Основными недостатками этих антенн является низкий коэффициент усиления (КУ) и их слабая направленность, что приводит к созданию помех на больших территориях.
Для
устранения указанных недостатков
применяют для передачи сигналов
направленные антенны. До настоящего
времени в качестве передающих направленных
диапазонных антенн широко применяют
ромбические антенны РГ, РГД (РГ
,
гдеФ –
половина тупого угла ромба; a
– отношение длины стороны ромба к
оптимальной длине волны ромбической
антенны λ 0 ;
b
- отношение высоты подвеса к оптимальной
длине волны ромбической антенны λ 0).
Для работы в ДКМ диапазоне на разные
дальности связи с использованием данных
типов антенн необходим антенный
комплекс из 4 – 5 антенн: РГД 57/1,7-0,5 -
для трасс протяженностью 600-1000 км; РГД
65/2,8-0,6 - для трасс протяженностью
1000-2000 км; РГД 65/4-1 - для трасс
протяженностью 2000-4000 км; РГД
(70/6)1,25- для трасс
протяженностью свыше 4000 км .
вид сбоку
б) вид сверху
Рис. 7.40. Антенна ВГДШ
Ромбические антенны типа РГ имеют большой уровень боковых лепестков (до 70% от максимального в рабочем диапазоне частот) . Данного недостатка а) лишена синфазная решетка из двух идентичных антенн РГ, разнесенных в горизонтальной плоскости, называемая двойным ромбом (РГД). Кроме того, антенна РГД имеет вдвое больший коэффициент направленного действия (КНД). Достоинство ромбов – высокий КПД.
Основными недостатками «всенаправленного» антенного комплекса на антеннах типа РГД являются большая площадь, занимаемая антенным полем, большая его стоимость и сложность в эксплуатации из-за большой высоты подвеса антенн (20 – 35 м).
Для обеспечения излучения на дальности до 2000-3000 км рекомендуется применять логопериодические антенны. Использование ЛПА позволяет сократить общее количество антенн на ПРЦ и существенно уменьшить размеры антенного поля не столько за счет малых габаритов антенны, сколько за счет ее широкодиапазонности. Основные характеристики ЛПА в сравнении с антеннами РГД приведены в табл. 7.20.
Поворотная ЛПА позволяет оперативно изменять направления излучения для работы с произвольно ориентированными корреспондентами на дальности до 2000-3000 км. Эта антенна может быть смонтирована на мачтовой опоре, установленной как на поверхности земли, так и на крыше здания.
Таблица 7.20
Кремниевые точечные диоды Д101- ДЮЗА, Д104-Д106А
Плоскостные диоды
Диоды группы ДЮ1-ДЮЗА рассчитаны на работу в высокочастотных устройствах на частотах до 600 Мгц при температуре окружающей среды до + 150°С. Внешнее оформление этих диодов аналогично оформлению германиевых диодов группы Д2.
Диоды группы Д104-Д106А аналогичны по параметрам диодам группы Д101-ДЮЗА. Различие состоит в том, что диоды группы Д104-Д106А имеют малогабаритный металлостеклянный корпус, габаритные размеры которого
представлены на рис.4. Основные электрические параметры диодов Д101- Д106А сведены в табл. 1.
Плоскостные германиевые диоды Д7А-Д7Ж (ДГ-Ц21-ДГ-Ц27)
Диоды группы Д7 предназначены для выпрямления переменного тока промышленной частоты (50 гц) в устройствах питания радиоаппаратуры. Наибольшая амплитуда тока при переходных процессах (менее 0,1 сек) равна 25 а.
Все диоды группы Д7 заключаются в цилиндрический металлический корпус со стеклянным изолятором. Диоды группы Д7 в зависимости от электрических параметров разделяются на семь типов (Д7А-Д7Ж). Диоды группы Д7А-Д7Ж по параметрам аналогичны выпускавшимся ранее диодам ДГ-Ц21-ДГ-Ц27.
Основные электрические параметры диодов Д7 приведены в табл. 2., а внешний вид и габаритные размеры показаны на рис. 5.
При работе на емкостную нагрузку амплитуда обратного напряжения на диодах не должна превышать значения, указанного в табл. 2, а эффективное значение тока через диод должно быть не более, чем 1,57 от среднего выпрямленного тока.
Электрические данные при температуре +20° ±5°С
Тип прибора
Максимальный выпрямл. ток, а
Максимальное обр. рабоч. на- пряж., в (амплитуд.)
Падение напряжения при номин. выпрямл. токе, в (ср.)
Обратный ток при максимальном рабочем напряжении, ма
Д7А (ДГ-Ц21)
Д7Б (ДГ Ц22)
Д7В (ДГ-Ц23)
Д7Г (ДГ-Ц24)
Д7Д (ДГ-Ц25)
Д7Е (ДГ-Ц26)
Д7Ж (ДГ-Ц27)
Выпрямительные плоскостные алюминиевом радиаторе толщиной
кремниевые диоды Д202-Д205 1 лш, площадью 40 см2 (на один диод).
Диоды группы Д202-Д205 предназначены для выпрямления промышленного тока (50 гц). Диоды имеют металлический герметизированный корпус с винтом для крепления на теплоотводящем шасси. Диапазон рабочих температур от -60СС до +125°С.
Внешний вид и габаритные размеры диодов представлены на рис. 6, а основные электрические параметры помещены в табл. 2.
Для указанных диодов без теплоотвода среднее значение выпрямленного
тока при температуре окружающей среды + 20° С составляет 400 ма. При использовании в предельном режиме диоды рекомендуется укреплять на
Выпрямительные плоскостные кремниевые диоды Д206-Д211
Диоды группы Д206-Д211 предназначены для выпрямления промышленного тока (50 гц) в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. Диапазон рабочих температур от -60°С до +125Х. Диоды имеют герметичный металлический корпус, внешний вид и размеры которого показаны на рис. 7. Основные электрические данные сведены в табл. 2.
Выпрямительные плоскостные германиевые диоды Д302-Д305
Диоды группы Д302, ДЗОЗ, Д304 и Д305 служат для выпрямления тока промышленной частоты (50 гц) в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. Корпус диодов - герметизированный, с винтом и гайкой для крепления на теплежтвод я щем шасси. Диапазоны рабочих температур от -60°С до -j-70°C.
В выпрямителе, собранном на диодах Д302-Д305, желательно устанавливать фильтр, имеющий индуктивный вход. При фильтре, имеющем емкостной вход, значение выпрямленного тока должно быть в два раза меньше номинального
Температура корпуса диода во всех случаях эксплуатации не должна превышать Д-80°С.
При использовании охлаждающих радиаторов, их следует выполнять из меди толщиной 3 мм. Для диодов типов
В зависимости от исходного полупроводникового материала различают кремниевые и германиевые диоды. Туннельные диоды изготовляют также на основе арсенида галлия и антимонида индия. Кремниевые диоды имеют более высокую предельную температуру (120°…150°C против 55°...160°C у германиевых), обладают меньшими обратными токами и бóльшими допустимыми обратными напряжениями. Однако, кремниевые диоды имеют большее пряое падение напряжения (порядка 0,8…1,2 В против 0,3…0,6 В у германиевых). Эти отличия параметров обусловлены большей шириной запрещенной зоны у кремния.
По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные (и их разновидность – силовые), высокочастотные, импульсные, опорные (стабилитроны), варикапы, туннельные и другие.
Выпрямительные диоды. Выпрямителные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50…20 000 Гц).
К основным параметрам выпрямителных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся среднее значение выпрямленого тока I пр. ср, . которое может длительно протекать через диод при допустмом его нагреве; среднее значение прямого падения напряжения U пр. ср, однозначно определяемое по вольт-амперной характеристике при заданных значенииях I пр. ср ; среднее значение обратного тока I обр при заданном значении обратного напряжения U пр. ср ; Δf – диапазон рабочих чостот , в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданного значения. Часто приводят предельную частоту диапазона f max .
Важное значение имеют также параметры предельного электрического режима выпрямителного диода, а именно: предельно допустимая амплитуда обратного напряжения U обр. max , которое диод длительно выдерживает без нарушения нормальной работы (U обр. max на 20 % меньше напряжения пробоя U обр. пр ); максимальное значение тока I пр. max ; максимальный обратный ток I обр. max при U обр. max .
Выпрямителные диоды подразделяют на диоды малой мощности, прямой ток которых I пр. ср < 0,3 А, средней (0,3 A< I пр. ср < 10 А) и большой (I пр. ср > 10 А) мощности. Максимальное обратное напряжение диодов малой мощности лежит в диапазоне от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых. С точки зрения частотных свойств диоды рассматриваемого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высокочастотные (10…20 кГц). Конструкция выпрямительных диодов малой мощности приведена на рисунке 2.3, а на примере сплавного германиевого диода Д7Ж, а его вольт-амперная характеристика - на рисунке 2.3, б .
1 - внешний вывод (анод); 2 -трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - таблетка индия; 7 - кристалл германия; 8 - кристаллодержатель; 9 - внешний вывод (катод);
Рисунок 2.3 - Маломощный германиевый выпрямительный диод Д7А -Ж
В выпрямительных диодах средней мощности больший прямой ток достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади р-п -перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой площади р-п -перехода достаточно мал (несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в таких диодах, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.
Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители – радиаторы, изготовляемые из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и развитой поверхностью для улучшения теплоотдачи. В качестве радиатора иногда может быть использовано шасси прибора. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием корпуса крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример конструкции выпрямительных диодов средней мощности показан на рисунке 2.4, а. На рисунке 2.4, б приведена вольт-амперная характеристика диода Д205.
1 - внешний вывод (анод); 2- трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - алюминий; 7 - кристалл кремния, 8 - теплоотводящее основание, 9 - кристаллодержатель; 10 - внешний вывод (катод);
Рисунок 2.4 - Кремниевые выпрямительные диоды средней мощности Д202 - Д205
Мощные (силовые) диоды. Мощные диоды, называемые силовыми вентилями , предназначены для работы при прямом токе от 10 А и выше, максимальное обратное напряжение кремниевых диодов достигает нескольких тысяч вольт. Силовые диоды обозначают буквой В, они имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.
Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластина с р-п -переходом, создаваемым диффузионным методом, у таких диодов представляет собой диск диаметром 10…100 мм и толщиной 0,3…0,6 мм. Пример конструкции мощного диода показан на рисунке 2.5.
Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.
Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в р-п -переходе. В связи с этим для диодов большой мощности должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты.
Другая особенность мощных диодов - необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также при атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой, дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.
1 - внешний вывод (анод); 2 - стакан; 3 - стеклянный изолятор; 4 - внутренний гибкий вывод анода; 5 - корпус; 6 - чашечка, 7 - кристалл с р-п -переходом; 8 - кристаллодержатель (катод), 9 - шпилька для крепления к радиатору
Рисунок 2.5 - Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ - 200
Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем р-п -перехода, который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри р-п -перехода, а в месте выхода его на поверхность кристалла. Причина заключается в том, что в реальном диоде в месте выхода р-п -перехода на поверхность имеются участки, в которых существенно сужена область объемного заряда. Это обусловливается рядом факторов (нарушение структуры кристалла, различные загрязнения поверхности и т. д.). Естественно, что напряженность поля в этих участках выше, а напряжение электрического пробоя ниже, чем внутри р-п -перехода. Поэтому при перенапряжениях возникает электрический пробой р-п -перехода в этих участках, и весь обратный ток проходит через них. Плотность тока достигает достаточно больших значений даже при сравнительно небольших обратных токах. Температура в участке пробоя резко по-
вышается, что, в конечном счете, приводит к тепловому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя.
Таким образом, защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-п -перехода с поверхностных участков в объемные. Поверхностный пробой устраняют за счет создания косого среза (фаски) по поверхности пластины монокристалла и применения так называемого метода защитного кольца (рисунок 2.6, а ).
Метод основан на внесении меньшей концентрации акцепторной примеси в периферийную кольцевую часть монокристалла по сравнению с внутренней. В связи с этим концентрация основных носителей заряда в периферийной части р -области будет меньшей, а толщина слоя объемного заряда (ширина р-п -перехода) - большей, чем в центральной части.
Благодаря указанным мерам, напряженность поля на наружной поверхности р-п -перехода будет существенно меньшей, чем в его внутренней области. При наличии перенапряжений возможный электрический пробой р-п -перехода может произойти
Рисунок 2.6 – Структура и ВАХ лавинного диода
только в объемной части, причем пробой носит лавинный характер. Поэтому силовые диоды с такой р-n -структурой называют лавинными . Обратная ветвь вольт-амперной характеристики лавинного диода показана на рисунке 2.6, б (кривая 1). Там же приведена обратная ветвь вольт-амперной характеристики обычного диода (кривая 2).
Перенос возможного электрического пробоя в объемную часть перехода обеспечивает не только повышение и стабильность напряжения лавинного пробоя U л , но и значительное повышение мощности, рассеиваемой прибором при обратном напряжении, благодаря его способности пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков. Последнее достигается тем, что лавинный пробой р-п -перехода носит объемный характер, распределяясь по большому числу микроканалов. Лишь при значительном обратном токе, когда пробой охватывает всю объемную часть перехода, в принципе возможен перегрев прибора и выход его из строя вследствие теплового пробоя. Поэтому действие импульсов перенапряжения должно быть кратковременным даже в случае применения лавинных диодов.
Импульсные диоды. Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных выпрямительных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсы подводимого напряжения - малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно. Такие диоды характеризуются дополнительными параметрами: собственной емкостью, временем установления прямого сопротивления и временем восстановления обратного сопротивления .
Собственная емкость на высокой частоте снижает обратное сопротивление. Для её уменьшения приходится уменьшать размеры кристалла, что приводит к уменьшению среднего прямого тока через диод. Для импульсных диодов в паспорте указывается кроме среднего максимальный ток в импульсе, который может быть значительно больше среднего тока, так как за время паузы между импульсами кристалл имеет возможность охлаждаться.
Для переключения диода из закрытого состояния в открытое требуется некоторое время для накопления необходимых концентраций неравновесных носителей заряда в близлежащих к р-п -переходу слоях (см. рисунок 1.9, в ). Вследствие этого падение напряжения на диоде при отпирании сначала имеет относительно большую величину, а затем, снижаясь, достигает установившегося значения. Время, в течение которого падение напряжения на диоде спадает от максимального до 1,2 установившегося значения, называют временем установления прямого сопротивления t уст .
Переключение диода из открытого состояния в закрытое при быстром изменении полярности подводимого напряжения характеризуется резким увеличением обратного тока (на один - два порядка больше установившегося значения) и его уменьшением до установившегося значения в течение некоторого времени. Такое изменение обратного тока свидетельствует о постепенном восстановлении высокого сопротивления диода в обратном направлении при переводе его в непроводящее состояние.
Возникновение броска обратного тока вызвано тем, что избыточные неосновные носители заряда, созданные по обе стороны р-п- перехода на этапе протекания прямого тока (см. рисунок 1.9, в ), втягиваются полем обратно в р-п- переход под действием приложенного к нему обратного напряжения. Обратный ток спадает до номинального значения лишь после того, как концентрации неосновных носителей заряда по обе стороны р-п- перехода достигнут установившихся значений вследствие ухода носителей заряда через переход и рекомбинации с носителями заряда противоположного знака. Время, в течение которого обратный ток достигает 1,2 установившегося значения, называют временем восстановления обратного сопротивления t восст .
Значения параметров t уст и t восст в импульсных диодах могут составлять от долей наносекунды до сотен наносекунд (1 нс = 10 -9 с).
Стабилитроны. Стабилитроны представляют собой кремниевые плоскостные диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Они предназначены для стабилизации уровня постоянного напряжения. Обратное напряжение на р-п -переходе стабилитронов при электрическом (лавинном или туннельном) пробое (рисунок 2.7) претерпевает незначительное изменение.
Участок 1-2 на рисунке 2.7 является рабочим участком вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона.
Основными параметрами прибора являются напряжение стабилизации U ст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I ст. ном,; максимальный I ст тах и минимальный I ст min токи на участке стабилизации , динамическое сопротивление в рабочей точке на участке стабилизации r Д = ΔU ст / ΔI ст, характеризующее степень изменения стабилизации при изменении тока через стабилитрон; температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН). Шкала напряжений у промышленных типов стабилитронов лежит в пределах 3…200 вольт.
Точка 1 на характеристике соответствует минимальному току стабилитрона, при котором наступает пробой. Необходимость получения малого значения I ст min является одной из причин выполнения стабилитронов из кремния. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона, достижение которого еще не грозит тепловым пробоем р-п -перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина I ст тах может составлять от 2 мА до 10 А. Величина r Д , характеризующая также наклон рабочего
Рисунок 2. 7 - Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона
участка ВАХ, для низковольтных стабилитронов лежит в пределах 1…30 Ом, а для высоковольтных - 18…300 Ом. Температурный коэффициент напряжения стабилизации α ст = (ΔU ст /U ст ΔТ ) ·100 характеризует относительное изменение напряжения U ст при изменении температуры окружающей среды на 1ºС и выражается в процентах. Для кремниевых стабилитронов ТКН может быть положительным и отрицательным и составлять в зависимости от типа прибора 0,0005…0,2 % /1ºС.
Силовая часть собрана по мостовой схеме на мощных IGBT транзисорах B1- B4 (на схеме отсутствует ЭМИ фильтр). D1-D4 - диодный мост. R6 и RS1 - схема плавного включения, обеспечивает постепенный заряд фильтрующего конденсатора С3, исключая бросок тока. С5, R7, R8 - схема запуска ШИМ контроллера. С2, R10 - демпфирующая цепь. LR1-LR2, D5-D8, R9, WR - регулировка выходного тока.
Список радиодеталей силового блока:
Предохранители
F1- 5A
Транзисторы IGBT
B1, B2, B3, B4 - G20N60
Диоды
D1, D2, D3, D6 - 6A10 (6A 1000V)
D7, D8, D9, D10 - 4148
Конденсаторы
C1 - 2,2uF 630V
C2 - 332 630V (3300pF, 3,3nF, 0,0033 uF)
C3 - 600uF 400V, электролитический
C4 - 220uF 400V, электролитический
C5 - 22uF 400V, электролитический
C6 - 104 (100nF, 0,1uF)
Резисторы
RB1, RB2, RB3, RB4 - 3,3K
R5 - 10K
R6 -100/10W
R7 - 10K/2W
R8 - 120K/2W
R9 - 150
R10 - 51/10W
RW - 510, подстроечный
Реле
RS1- 12V 10A
LR1, LR2 - трансформатор тока
ферритовое кольцо 20*12*6 2000НМ, вторичная обмотка LR2 - 100 витков провода 0,12- 0,15 мм2, первичная обмотка LR1— перемычка, пропущенная через кольцо.
PM1 Блок ШИМ контроллера собран на микосхемах TL494 и IR2181, способен управлять мощными IGBT или MOSFET транзисторами с током до 60А. С помощью этого блока возможно построение мощного блока питания по мостовой схеме от 1 до 3 кВт.
Список радиодеталей ШИМ контроллера:
Микросхемы
TL494
IR2181 - 2шт.
Диоды
UF 407 - 2шт.
Zener 18V
Конденсаторы
224 (200n, 0,22uF) - 3шт
103 (10n, 0,01uF) - 2шт.
102 (1000pF, 1n) - 1шт.
100uF*35V - 1шт.
100uF*16V - 1шт.
Резисторы
10 - 4шт.
51 - 1шт.
1К - 4шт.
2К - 5шт.
10К - 1шт
15К - 1шт.
82К - 2шт.
Вторичные цепи с однополярным питанием и силовой трансформатор
Силовой трансформатор изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 . Первичная обмотка N1 - 0,35*6=35 витков, N2,N3 - 0,55*10=6+6 витков, N4-0,55=3 витка, N5 - 0,55=2 витка.
Дроссель L1 изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 0,55*20=9 виков
Стабилизатор V1 - 12V, питание вентилятора и реле Rs1. Стабилизатор V2 - 18V, питание Шим контроллера. WR1 - регулировка выходного напряжения.
Вторичные цепи с двухполярным питанием и силовой трансформатор
Силовой трансформатор изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 (при расчете программой Lite-CalcIT, размер сердечника: E 42/21/20 N87) . Первичная обмотка N1 - 0,35*6=35 витков, N2,N3 - 0,55*4=9+9 витков, N4-0,55=3 витка, N5 - 0,55=2 витка.
Дроссель L1а L1b изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 0,55*10=9+9 виков (противоположное направление намотки).
Стабилизатор V1 - 12V, питание вентилятора и реле Rs1. Стабилизатор V2 - 18V, питание Шим контроллера. WR1 - регулировка выходного напряжения.
Печатная плата блока управления....>>>
