5.1. Diody stabilizacyjne

Diody stabilizacyjne pracują w zakresie rewersyjnym charakterystyki napięciowo-prądowej w warunkach odwracalnego przebicia elektrycznego złącza p⁺-n⁺ o mechanizmie Zenera lub/i lawinowym W takim bardzo cienkim złączu powstają warunki ostrego i wyraźnego przebicia wyrażającego się nagłym i znacznym wzrostem prądu przy stosunkowo niskich napięciach. Diody stabilizacyjne są wykonywane zwykle z krzemu, które są bardziej stabilne i odporne na przebicie cieplne niż diody germanowe.

Maksymalna dopuszczalna moc rozproszenia diody stabilizacyjnej ogranicza jej prądowy zakres pracy. Zakres ten można określić na podstawie przedstawionej w katalogu maksymalnej mocy dopuszczalnej P_max(20^oC) w temperaturze otoczenia T_a=20^oC (lub 300 K) oraz dopuszczalnej maksymalnej temperatury złącza T_j,max

Charakterystyczne nominalne napięcie przebicia U_ZK jest w przybliżeniu napięciem stabilizacji U_Z. Zatem można przyjąć, że maksymalny prąd stabilizacji wynosi

I_MAX = P_MAX/U_ZK

Warunki pracy diody ustawia się w ten sposób, że średni prąd wyznacza punkt pracy stabilizowanego prądu

Następnie definiujemy dla punktu pracy (U_Z ,I_Z) rezystancję dynamiczną

oraz rezystancję stałoprądową

Stosunek obu rezystancji nazywany jest współczynnikiem nieliniowości diody stabilizacyjnej

Dobrze stabilizuje dioda o >100. Wpływ temperatury otoczenia na stabilizowaną wartość napięcia U_Z jest określany temperaturowym współczynnikiem tego napięcia

[%/K]

gdzie: U_Z - średnia wartość zmian U_Z,  - dopuszczalny zakres temperatury pracy diody. Współczynnik ten jest wyznaczany przy średnim prądzie I_Sr, ograniczanym rezystancją szeregową R_o dla napięcia zasilania U_S w podstawowym układzie stabilizacyjnym (rys.5.2). W tym układzie schemat zastępczy diody stabilizacyjnej składa się z wyżej zdefiniowanych prametrów rezystancyjnych R_Z i r_Z oraz pojemności C, zwierającej składową zmienną stabilizowanego prądu. Praca diody w tym najprostszym układzie stabilizacyjnym polega na zmianie swojej rezystancji stałoprądowej pod wpływem napięcia wejściowego U_S i prądu obciążenia I_L płynącego przez rezystor R_L (rys.5.1 i 5.2a). Dla stabilizatora można zapisać następujące proste równanie

U_S = (i_Z + I_L)R_o + u_Z (5.9)

Stąd mamy równanie prostej obciążenia diody stabilizacyjne

5.3. Diody tunelowe

Jeżeli obszar złącza diody zostanie jeszcze bardziej zdmieszkowany niż w diodzie Zenera, to napięcie przebicia takiego złącza stanie się bliskie zeru; U_ZO ≈0. Dioda p⁺⁺-n⁺⁺, która ma większą rezystancję w kierunku przewodzenia niż w kierunku zaporowym jest diodą wsteczną (rys.5.5.). Jest to zatem odwrócenie funkcji złącza - bardzo użyteczne w detekcji sygnałów mikrofalowych..

Diody tunelowe są jeszcze bardziej zdomieszkowane (ponad 10¹⁸cm^-3) i wyróżniają się swoją nietypową, w kształcie litery N, charakterystyką napięciowo-prądową w kierunku przewodzenia. Jej szczególną cechą jest zakres napięciowy o ujemnej rezystancji dynamicznej r=du_D/di_D, w którym prąd maleje od wartości szczytowej I_p (peak) do minimum lokalnego I_v (valley) przy wzroście napięcia od U_p do U_v. W tym zakresie średnia wartość ujemnej rezystancji wynosi

W zakresie rezystancji ujemnej prąd diody zmienia charakter z tunelowego na dyfuzyjny, który dla napięć u_D>U_V jest zasadniczym - poza prądami upłynnościowymi. Przebieg charakterystyki w przybliżeniu może być zapisany jako suma tych dwóch prądów

Rezystancja dynamiczna dla napięć U_p i U_v jest zatem nieskończenie wielka, natomiast w punkcie przegięcia (U_r, I_r) osiąga minimalną wartość ujemną

Taki prosty opis diody tunelowej jako rezystancji ujemnej jest właściwy tylko dla niskich częstotliwości. Jednakże diody te służą zwykle do wzmacniania i generacji przy dużych częstotliwościach. W pasmie mikrofalowym znaczna pojemność złącza C_j oraz indukcyjność L_s i rezystancja szeregowa r_S doprowadzeń drutowych w schemacie zastępczym diody tunelowej także mają duży wpływ na jej charakter pracy (rys.5.6). Zgodnie z tym schematem impednacja wejściowa diody tunelowej wynosi

Część rzeczywista tej impedancji jest równa zero przy częstotliwości

Dla większych częstotliwości składowa aktywna impedancji staje się dodatnia, a f_ro osiąga wartość maksymalną przy r=2r_S. W ten sposób o właściwościach częstotliwościowych diody tunelowej decyduje stała czasowa r_SC_j. Przy dużych koncentracjach domieszek pojemność złączowa jest jednak znaczna - może sięgać nawet do 100 pF.

Część urojona zeruje się przy częstotliwości f_xo, równej

Jest to częstotliwość rezonansowa własnych drgań pasożytniczych. Dlatego w typowych zastosowaniach mikrofalowych dioda pracuje przy częstotliwościach f_o mniejszych niż f_xo i f_ro (f_xo>f_ro>f_o), a drgania te nie wystąpią do wartości krytycznych, jeżeli

L_s<C_jr_Sr

Małą indukcyjność szeregową uzyskuje się poprzez wykonywanie wyprowadzeń prądowych diody z taśm, membran lub większych płytek, zamiast z cienkich drutów.

W zależności od wartości parametrów własnych w schemacie zastępczym oraz wielkości napięcia polaryzacji i obciążenia dioda tunelowa może pracować jako wzmacniacz, oscylator lub przełącznik. Diody wzmacniające powinny mieć duże częstotliwości krytyczne i mały poziom szumów, diody oscylacyjne - dużą moc przekazywaną do obciążenia, a diody przełącznikowe - duży skok napięcia U_V -U_P.

Przy zdejmowaniu charakterystyki prądowo-napięciowej diod tunelowych są poważne trudności związane z zakresem o ujemnej rezystancji, spowodowane niedotrzymaniem warunków stabilności układu pomiarowego. Właśnie w tym zakresie napięciowym dioda tunelowa połączona szeregowo ze źródłem napięcia stałego E_c o rezystancji wewnętrznej R_c, może działać jako wzmacniacz lub oscylator nieliniowy - zależności od tego ile miejsc zerowych ma równanie

W pierwszym przypadku punkt przecięcia określony jest jednoznacznie. Taka sytuacja jest możliwa, gdy

R_c + r_S <r_min

W drugim przypadku prosta obciążenia przechodzi przez trzy punkty charakterystyki prądowo-napięciowej, przy czym punkt znajdujący się na odcinku o ujemnej rezystancji jest niestabilny. Przy niewielkich fluktuacjach napięcia na diodzie układ przejdzie w jeden ze stabilnych punktów napięciowych A lub B, wychodząc z założonego punktu pracy. Zatem uwzględniając tę możliwość, nie należy dopuścić, aby w układzie pomiarowym zachodziła relacja

(R_c+r_S)> r_min

--> [Author:PP]

Jeżeli dla jakiegoś odcinka charakterystyki o malejącym prądzie zachodzi powyższa relacja, to przy zdejmowaniu charakterystyki pojawią się przełączenia prądu i napięcia pomiędzy punktami A i B.

W praktyce pomiarowej trudno znaleźć niskonapięciowe źródło napięcia stałego o małej rezystancji wewnętrznej z regulacją napięcia od zera. W takiej sytuacji trzeba zrealizować układ niskoomowego dzielnika prądowego ogólnym schemacie przedsta-wionym na rys.5.8. W takim układzie rezystancja źródła zasilającego diodę R₂ powinna być jak najmniejsza

R₂<<r_S+R_c

Jednakże rezystancję miliamperomierza także należy wziąć pod uwagę.

Drugim ważnym warunkiem stabilności układu pomiarowego jest wyeliminowanie generacji, które nie wystąpią, gdy indukcyjność całkowita układu wraz z diodą będzie bardzo mała - zgodnie z kryterium (5.22). W przeciwnym przypadku w układzie pojawią się pasożytnicze drgania zniekształcające charakterystykę prądowo-napięciową. Ostatni warunek i relację (5.22) można sprowadzić do jednej nierówności określającej dopuszczalne parametry układu pomiarowego:

Jej przebieg i charakterystyczne punkty są zaznaczone na rys.5.1. Istotne dla projektu stabilizatora i wyboru diody na napięcie U_z są oczekiwane zmiany (fluktuacje) napięcia wejściowego U_S oraz wymagania stawiane obciążeniu. Aby im sprostać należy wyznaczyć rezystancję R_o , ograniczającą prąd i wyznaczającej nachylenie prostej obciążenia (5.10), tak aby prąd diody nie spadł poniżej I_min - co oznacza, że dioda jest utrzymywana w stanie przebicia. Zmiany napięcia (fluktuacje) na obciążeniu U_L są zależne od czterech czynników: zmian napięcia wejściowego U_S, rezystancji obciążenia oraz temperatury i impedancji diody stabilizacyjnej.

Skuteczność stabilizacji napięcia przez diodę oceniamy przy pomocy współczynnika pulsacji napięcia na obciążeniu

k_pL ≡ U_L/U_L = U_L/U_S

porównując go ze współczynnikiem pulsacji napięcia na źródle (prostowniku)

k_pS = U_S/U_S

Zatem korzystając ze schematu na rys.5.2., przy R_o>>R_Z, mamy

Podobnie jak

stąd

Jako że zawsze R_Z>>r_Z oraz zwykle w stabilizatorze R_o≈R_L, to w zdefiniowanym powyżej współczynniku A mamy:

Zatem k_pL<<k_pS, czyli napięcie na obciążeniu jest bardziej stabilne niż na źródle i wtedy dioda spełnia swoje zadanie.

---