Шала өткізгіш диодтарды айнымалы токты

Шала өткізгіш диодтар тура бағытта токты жақсы өткізеді және кері бағытта нашар өткізетін болғандықтан, онда көптеген шала өткізгіш диодтар айнымалы токты түзету үшін пайдаланылады және олар қорыт-палық немесе диффузиялық технология бойынша орындалады. 10.28-суретте түзеткіштік диодтың шартты бейнесі және оның типтік вольт-амперлік сипаттамасы келтірілген. Диодтың тура тоғы анодтан А катодтың шықпасына бағытталған. Түзеткіштік диодтың жүктемелік икемділігін (қабілеттілігін) анықтайды: рұқсат етілетін тура ток I_тура және оған лайықты тура кернеу U_тура, рұқсат етілетін кері кернеу U_кері және соған лайықты кері ток I_кері, рұқсат етілетін шашыратқыш қуаты Р_шашр. және рұқсат етілетін айналадағы орта температурасы (германий үшін 50°С дейін және кремний диодтары үшін 140°С дейін) таралады.

Айнымалы токты түзету үшін, 10.29-суретте қарапайым сұлба көрсетілген. Онда бірізді жалғанған генератор айнымалы ЭҚК (е), диод және жүктемелік резитор R_ж келтірілген. Бұл сұлба біржақты периодты деп аталады. Дәлірек айтқанда, оны бірфазалы біртактылы десе, генератор айнымалы ЭҚК бірфазалы деп саналады.

Қарапайым түзеткіш жұмысы келесі түрде жүреді. Генератор сину-соидалы ЭҚК e = E_msint береді, оның ішкі кедергісін есепке алмауға да болады. Бір жарты период ішінде диод үшін кернеу тура болып саналады және ток жүреді, резистордағы R_ж кернеу түсуі U_R. Келесі жарты период ішіндегі кернеу кері болып саналады, ток іс жүзінде жоқ. Сонымен қатар диод арқылы жүктемелік резистордан генератордан толықсыма ток импульс түрінде жарты периодқа созылған аралықта өтеді, келесі жарты периодта ажыраған. Бұл ток түзетілген ток деп аталады. Ол R_ж резисторда түзетілген кернеуін тудырады. Ток бағытын бақылай отырып, бұл кернеудің полярлығын белгілеу қиын емес: диодтық катод жағында оң (плюс), ал анод жағында – теріс (минус) алынады.

10.30-суреттегі графиктер түзеткіштегі үдерістерді көрнекті түрде бейнелейді. Генератордың айнымалы ЭҚК E_m амплитудасы бар синусоидамен бейнеленген (10.30-сурет). Жүктеме кедергісі әдеттегідей диод кедергісінен көптеген рет үлкен және сонда диодтың сызықты еместігін елемеуге де болады. Бұл жағдайда түзетілген ток импульстер пішініне ие, I_m максимал мәні бар жартылай синусоидаға жуық (10.30-сурет). Бұл ток графигі басқа масштабта u_R түзетілген кернеуді бейнелейді, себебі u_R = iR_ж. Токты R_ж мәніне көбейтсе, кернеу қисығын алуға жеткілікті.

10.30-сурет диодтағы кернеу графигін бейнелейді. Кейде оны қате түсініп, синусоидалы деп немесе айнымалы ЭҚК көзі кернеуімен теңестіреді. Негізінен, бұл кернеу синусоидалы емес пішініне ие. Оның оң және теріс жарты толқынының амплитудалары дәл бірдей емес. Оң жарты толқынының амплитудасы өте кішкене. Қашанда тура ток өткенде, онда қорек көзі кернеуінің көп бөлігі жүктеме резисторы R_ж кедергісінде түсетіндігімен түсіндіріледі.

Бұл жағдайда:

Әдеттегі шалаөткізгіш диодтар үшін тура кернеу 1-2 В артық болмайды. Мысалы, қорек көзі әрекеттік кернеуі E = 200 В және E_m = · E = 280 В тең болсын делік. Егер U_{тура max} = 2 B, сонда U_Rmax = = 278 В. Егерде қорек көзі кернеуі (мысалы, 200 В) толық диодқа салынған болса, бұл R_ж резисторында кернеу түсуінің жоқ екендігін білдірер еді. Бірақ бұл тек R_ж = 0 кезінде ғана мүмкін. Сонда ток рұқсат етілмейтін үлкен болып, әрі диод істен шығар еді.

Теріс жарты толқын кезінде әкелінетін ток кернеуі практика тұрғысында жоқ және R_ж резисторда кернеу түсуі нөлге тең. Қорек көзінің барлық кернеуі диодқа салынған, оған ол кері кернеу болып саналады. Сонымен, кері кернеудің ең үлкен мәні ЭҚК көзінің амплитудасына тең.

10.30-суреттегі графиктен көретініміз – ондағы кернеу лүпілдеуі өте қарқынды. Кернеудің жарты толқыны жоқ. Осындай кернеудің пайдалы бөлігі оның тұрақты құраушысы немесе U_орт орташа мәні болып саналады. Ең үлкен U_max кернеу мәні бар жарты синусоидалды импульс үшін жарты периодтық орташа мәні

себебі, екінші жарты периодта кернеу мүлде жоқ, сонда толық периодта орташа мәні екі есе кем.

Жуық шамамен U_орта ең үлкен мәнінің 30%-ға тең деп санайды. Импульстердің нақты пішінінің біршама жарты синусоидадан айырма-шылығы бар. Диодтағы кернеу түсуі өте аз болғандықтан,

Түзетілген лүпілдеуші (пульсацияланған) кернеуден оның орташа мәнін шегергенде, синусоидалы емес пішінді айнымалы құраушысын U ~ аламыз. Ол үшін нөлдік осі түзу сызық тұрақты құраушысын бейнелеуші болып саналады (10.31-сурет).

Айнымалы құраушыларының жарты толқыны штрихталған. Оң жарты толқын синусоида жартысының үштен екісі болып көрінеді, ал терісі трапецияға жуық пішінге ие. Бұл жарты толқындардың ұзақтығы алаң бойынша бірдей емес, олардың шектелгендері бірдей, себебі тұрақты құраушылары енді жоқ.

Түзетілген кернеудің айнымалы құраушысы – «зиянды» бөлігі. Оны жүктемелі резисторда азайту үшін, яғни түзетілген кернеудің лүпілдеуін тегістеу үшін, арнайы тегістеуіш сүзгілері қолданылады. 10.31,ә-суретте айнымалы құраушысы бейнеленген. Ол бірқатар гармониктерден тұрады. Барлығынан да бірінші гармоникасын төмендету үшін (ол штрихталған синусоидамен көрсетілген).

Тегістеуіш сүзгісіне үлкен сыйымдылықты конденсаторлар қолданы-лады, оның аздаған бөлігі ғана жүктемеге өтуге мүмкін болатындай олар арқылы айнымалы құраушы ток бұтаққа тарайды. Бұл сүзгілерге дроссельдерді жиі қояды, яғни индуктивтігі үлкен орауышты айнымалы құраушылары жүктемеге өтуіне бөгет жасау үшін. Неғұрлым лүпілдеу жиілігі жоғары болса, конденсаторлар кедергілері соншама аз және дроссельдердің кедергілері көбірек, демек соншалықты тиімді тегістеуші сүзгі жұмыс атқарады.

Түзеткіштің қарапайым сұлбасында лүпілдеудің бірінші гармо-никаның амплитудасы өте үлкен – пайдалы тұрақты құраушы-сынанда үлкен:

= 0,5U_max = 1,57 U_орта (10.27)

Осындай үлкен лүпілдеуі бар түзетілген кернеу ереже ретінде практикалық мақсатта жарамсыз. Лүпілдеуін азайтудың кейбірі түзет-кіштік сұлбасының күрделігін жоғарылатып жібереді. Сүзгі ретінде конденсаторды қосу диодтың жұмыс шартын елеулі түрде өзгертеді.

Конденсатор лүпілдеуді жақсы тегістейді, егер оның сыйымдылығы келесі шартты орындайтын болса:

1/(ωc) << R_ж (10.28)

Оң жарты период аралықтың кейбір бөлігінде диодтағы кернеу тура кезінде, диод арқылы ток өтеді де, зарядтайтын конденсатор E_m-ге жуық кернеуіне дейін. Сол мезгілде диод арқылы ток өтпегенде, конденсатор R_ж арқылы разрядталады және онда кернеу тудырып, ол біртіндеп төмендейді. Әрбір келесі оң жарты периодта конденсатор қосымша зарядталады және оның кернеуі қайтадан ұлғаяды.

Конденсаторы бар түзеткіштегі үдеріс келесі ұқсастықты түсіндіреді. Кейбір тұтынушыға құбыр бойынша бірқалыпты газ ағынын беру керек болсын. Бірақ қолда бар сорғы газды жұлқып, (импульсті) тартып шығарады, себебі мікбастың (поршеньнің) тура жүрісі мезгілінде сорғы газды тек сорады, ал ол тұтынушыға тек кері жүріс уақытында ғана қайта айдайды. Осындай жұмыс жүйесі конденсаторы жоқ түзеткішке ұқсас, сонда сорғы қозғалтқышы айнымалы ЭҚК көзіне ұқсас, сорғы клапаны диод міндетін атқарады. Сорғы мен тұтынушылар арасында үлкен резервуар қоямыз және оған газды айдап толтырамыз. Резервуардан тұтынушыға тұрақты қысыммен беріледі. Ол аз мөлшерде ғана лүпілдейді, себебі сорғы газды резервуарға айдайды және онда орташа қысымын ұстап тұрады. Резервуар конденсаторға ұқсайды. Неғұрлым оның сыйымдылығы үлкен болса, тұтынушыға баратын газ ағыны соғұрлым әлсіз, қысым лүпілдеуі соншалықты аз.

Конденсатордағы кернеу катодқа оң, диод анодына теріс таңбамен салынған. Сондықтан диодтағы кернеу ЭҚК көзімен конденсатор кернеуінің айырымына тең:

u_Д = e – u_С (10.29)

Өйткені u_С мәні E_m-ге жуық, сонда u_Д кернеуі тек оң жарты период аралығында ғана тура қалпын қабылдайды, онда е u_С-дан артады (E_m мәніне жуық). Бұл аздаған уақыт аралығында диод арқылы конденса-торды зарядтайтын импульс түрінде ток өтеді. Оң жарты периодтың қалған бөлігі мезгілінде және теріс жарты период уақытысында u_Д кернеуі – кері, ток жоқ болды және конденсатор R_н жүктемеге разрядталады.

Диодта ен жоғарғы кері кернеу ЭҚК-тің теріс амплитудасы кезінде алынады e = –E_m. Сонымен, конденсатор кернеуі де E_m-ге жуық болғандықтан, онда кері кернеу 2E_m мәніне жуық болады. Егер жүктеме тізбегі ажыратылса (бос жүріс), онда ең жоғарғы кері кернеу дәл 2E_m тең. Сөйтіп, конденсатордың болуы кері кернеуді екі еселейді (бұл барлық түзеткіштік сұлбаға қатысты емес), сондықтан бұл кері кернеуге шыдау үшін диодты таңдау керек.

Диодтар кез келген түзеткіштік сұлбаларда қолданылады. Егер тегістеуіш сүзгілер үлкен сыйымдылықты конденсаторымен басталса, онда айнымалы кернеуді қосқан кезде конденсаторда ток импульсі өтеді, оның диодтың рұқсат етілген тура ток мәнінен артатындығы жиі кездеседі. Осы токты азайту үшін, кейде бірлік немесе ондаған Ом кедерісімен диодқа бірізді шектеуші резисторын қосады.

Төмен жиілікте кері токтың импульсі тым кішкене және оның ұзақтығы жарты периодтан көптеген рет төмен, ал кейбір жоғары жиілікте кері токтың импульсі мөлшерімен тура ток импульсі амплитудасындай болуы мүмкін және ол барлық жарты период аралығына созылады. Егер тура және кері ток импульстерінің аудандары бірдей болса, онда токтың тұрақты құраушысы (орташа мәні) нөлге теңелер еді, яғни түзету доғарылады. Іс жүзінде жоғарғы жиіліктің шекті мерзімі оның тұрақты түзетілген токтың тұрақты құраушысы 30%-дан аспайтындай болуы керек оның мәні төмен жиілікпен салыстыру бойынша.

Шала өткізгіштік диодтар функционалдық міндеті бойынша түзеткіштік, импульстік, стабилирондық, фотодиодтық, жарық сәуле-лендіруші диодтар болып бөлінеді және т.б.

Түзеткіштік диодтар айнымалы токты тұрақтыға түрлендіру үшін белгіленген және балқытылмалы немесе диффузиялық бойынша жасалады.

Импульстік диодтар кернеу және ток импульстерін қалыптастыруға және тізбектегі жұмысқа арналған. Шалаөткізгішті диодтар көбінесе импульстік режимде жұмыс істейді, олардың импульстер ұзақтығы бірлікке немесе микросекунд үлесіне тең. Бұл режимнің ерекшеліктерін қарастырамыз, мысалы, диод бірізді жүктеме R_ж кедергісімен жалғанған болсын. R_ж >> R_тура көзінде осындай қысқа тура оң импульстік кернеуге қосылған болсын, ол диодты ашушы кернеу, ал ұзақтығы көбірек кері кернеу импульсі (теріс импульс) диодты берік жапқыш келесі оң импульс келгенше. Кернеу импульстері тікбұрышты пішінді (10.33,а-сурет).

Бұл диффузиялық ағын өтпе арқылы электрондардың жинақталуын р аймақта тудырады, себебі олар бірден кемтіктермен рекомбинациялана алмайды немесе р аймақтан шықпаларына дейін жете алмайды.

Базадағы жинақталған зарядтардың жойылуы (таралуы) біраз уақытқа созылады. Таралу соңында кері ток өзінің орныққан аса аз мәніне і_{кері.орн.} жетеді.

Бұрынғы қалпына келу τ_БҚК – уақыты кері токтың пайда болу уақытынан оның орныққан мәніне дейін қабылдағаны кері кедергінің БҚК уақыты деп аталады. Бұл уақыт диодтың маңызды параметрі импульстік жұмысына арналған. Осындай диодтардың τ_БҚК микросекундтың ондық үлесінен аспайды. Неғұрлым ол аз болса, солғұрлым жақсы: сонда диод тезірек жабылады.

Екінші себеп кері токтың импульсінің пайда болуы – ол диодтың сыйымдылық зарядының кері кернеудің әрекет етуінен. Бұл сыйымдылықтың зарядтық тогы таралу тогының зарядымен қосылады, соның нәтижесінде кері токтың қосынды импульсі алынады, неғұрлым диод сыйымдылығы үлкен болса, ол соншама ұлғаяды. Арнайы диодтардың бұл сыйымдылығы импульстік жұмысы үшін пикофарадтан аспайды.

Импульстік диодтар τ_БҚК және С параметрлерінен басқа тағы бірнеше параметрлерімен сипатталады. Оларға U_тура тұрақты тура кернеу I_тура тұрақты тура ток, I_кері кері ток, U_кері кері кернеу, U_{кері max} кері ең жоғарғы рұқсат етілген кернеу және I_{тура и max} тура токтың импульс биіктігі.

10.35,ә-суретте қарапайым кернеу тұрақтандырғыш сұлбасы келтірілген, онда R_ж жүктеме кедергісі бар. Шалаөткізгіш диодтардың вольт-амперлік сипаттамасында электрлік тесу аймағының телімі кернеуді тұрақтандыру үшін пайдаланылатындығы көрсетілген. Тесуге дейінгі кері ток өте аз, ал тесу режимінде, яғни тұрақтану режимінде тура ток мөлшерінде болады.

Кремний стабилитрондарының негізгі параметрлерін қарастырамыз. Кернеу тұрақтандырғышы U_ст 5 вольттан 200 В-қа дейін өзгере алады, а стабилитрон тогы I_min-нен I_max-ға дейін өзгеріп ондаған және кейде жүздеген миллиампер құрайды. Рұқсат етілетін қуат P_max стабилитронда сейілуі – жүздеген миливаттан бірлік ваттқа дейін.

Варикаптар. Бұл жазықтың диодтары басқаша параметрлік деп аталады, әрі кері кернеу кезінде жұмыс істейді, оған тосқауылдық сыйымдылық тәуелді. Сонымен, варикап айнымалы сыйымдылықты конденсатор болып саналады, ол механикалық емес электрлік жолмен, яғни кері кернеуді өзгерту арқылы басқарылады.

Варикаптар ең бастысы тербелмелі контурларды баптау үшін, сонымен қатар параметрлік күшейткіштер деп аталатын кейбір арнайы сұлбаларда қолданылады.
Шала өткізгіштердің негізгі түрлері
Шала өткізгішті диодтар көптеген белгілері бойынша топтарға бөлінеді. Диодтар әртүрлі шалаөткізгішті заттардан жасалады, төменгі немесе жоғарғы жиіліктер үшін, бір-бірінен конструкциясы бойынша айырмашылығы бар әртүрлі функцияларды орындау үшін тағайындалған. Құрылымдарының тәуелділіктерінен нүктелік және жазықтық диодтары болып бөлінеді. Нүктелік диодтардың сызықтық өлшемдерін анықтаушы p-n өткелінің алаңы өтпе қалыңдығындай немесе одан азырақ. Жазықтық диодтардың бұл өлшемдері өтпе қалыңдығынан әлдеқайда үлкен.

Нүктелік диодтардың n-p өткелі аз сыйымдылығына ие (әдетте, 1 пФ кемдеу), сондықтан кез келген жиіліктерге тіптен ӨЖЖ (өте жоғары жиілікке) дейін. Бірақ олар бірліктен аспайтын немесе ондаған мил-лиампер ток жібере алады. Жазықтық диодтар өтпе алаңынан тәуелділігі ондаған пикофарад сыйымдылығына ие болады. Сондықтан оларды ондаған килогерцтен аспайтын жиіліктерде қолданады. Нүктелік және жазықтық диодтар үшін шала өткізгіштер заттары ретінде германий мен кремний қолданылады, соңғы кездерде галий арсениді (GaAs) және басқа да жалғаныстары қолданылады. Нүктелік диод құрылғысының принципі 10.36-суретте көрсетілген. Жіңішке үшкірленген сымға (ине) салынған коспасына импульстік ток көмегімен белгілі электрөткізгіштік түрі бар шала өткізгіш пластинкаға дәнекерленеді. Бұл кезде инеден негізгі шала өткізгішке қоспа енгізіледі, олар басқа электрөткізгіштіктері түрлерімен аймағын түзеді. Бұл үдеріс диод қалыптығы (формовка) деп аталады. Сонымен, ине маңында шағын ғана n-p өткелінде жарты-сфералық пішінін түзеді. Демек, нүктелік және жазықтық диодтары арасында айырмашылық – n-p өткеліндегі алаң.

Германийлік нүктелік диодтар әдетте салыстырмалы түрде үлкен меншікті кедергісімен n түріндегі германийден дайындалады. Германий пластинкасына индиймен жабылған вольфрамнан жасалған сым дәнекерленеді. Индий германий үшін акцепторы болып саналады. p түрлі алынған германий саласы эмиттер ретінде жұмыс істейді. Кремний нүктелік диодтарды дайындау үшін, n түріндегі кремний пайдаланылады және алюминиймен жабылған ине кремнийі үшін акцептор қызметін атқарады.

Жазықтық диодтарды дайындауда ең бастысы – балқыту немесе диффузия әдісімен (10.37-сурет) іске асыру. n түрлі германий пластинка-сына 500°С температура маңында индий тамшысын балқытып, германий- мен біріктіреді, сонда р түрлі германий қабаты түзіледі. р түрлі электрөткізгіштігі бар саласы негізгі пластинкаға қарағанда салыстыр-малы жоғары Омдық германийдің көбірек жоғары шоғырлану қоспасына ие болады және ол сондықтан эмиттер болып саналады.

Негізгі гермений пластинкасына және индийге никельден шықпалық сымын дәнекерлейді. Егер бастапқы материалға p түрлі жоғары омдық германийді алса, сонда оған сурьманы балқытады және онда n түрлі эмиттерлік сала пайда болады.

Күрт немесе сатылы n-p өткелдері деп аталатын балқымалы әдіспен алынатынын атап айту керек, оларда қалыңдық айналасында қоспа концентрациясының өзгеруі өткелдегі көлемдік зарядтар аймағының қалыңдығынан әлдеқайда аз.

Диффузиялық әдіспен n-p өткелін дайындауда қоспа атомдары негізгі шала өткізгіштерге диффундирлейді. Қоспалық заттар бұл кезде әдетте газ тәрізді күйде болады. Диффузия қарқынды болуы үшін балқыту әдісіне қарағанда негізгі шала өткізгіштікті жоғарырақ температурада қыздырады.