Лавинные диоды что это такое
Лавинный диод - принцип работы, применение, структура
Перед тем, как дать определение лавинного диода, разберемся с понятием лавинного пробоя p-n-перехода, потому как именно на нем основывается работа этого прибора, который является разновидностью стабилитрона и использует зенеровский пробой, правильнее назвать полупроводники с напряжением пробоя больше 5 В – лавинными диодами.
Понятие лавинного пробоя
Лавинный пробой инициируется сильным электрическим полем, им обладают полупроводники с p-n-переходом с большой толщиной. Неосновные носители, дислоцированные в переходе, забирают для себя основную функцию, при разгоне они ионизируют атомы. Новые электроны, а в основном это электроны теплового происхождения, сталкиваясь с атомами кремния, расположенными по соседству, вызывают лавинообразный рост всего процесса, создают новые пары электрон-дырка.
Действие пробоя обладает свойством обратимости и происходит без каких-либо последствий разрушительных для кристаллической структуры полупроводникового прибора, особенно если постараться не допустить перегрева прибора и ограничить величину тока. Значение напряжения для лавинного пробоя варьируется в границах значений от 5 до 1000 В, зависит от конструктивных особенностей диода и уровня легирования кремния.
Оптимизация лавинного диода
Рис. №1. Мощный силовой лавинный диод ДЛ153-2000, внешний вид.
Мощные лавинные диоды марки ДЛ153-2000 используются в трехфазных преобразователях, частота, в которых доходит до 500 Гц, они служат для выпрямления напряжения мощных турбогенераторов с мощностью до 320 МВт. Для снижения рабочих температур (допустимое значение 175оС) в длительном (номинальном) режиме и режиме форсировки при частоте 500 Гц необходимо принимать определенные меры. Понижение рабочего ресурса преобразователя и экспоненциальном (пропорциональном значению величины - скорости роста) росте интенсивности отказов из повышения температуры кремниевой структуры.
Рис. №2. Чертеж силового лавинного диода ДЛ153-2000.
В программу исследований по снижению потерь мощности и понижению температуры включены следующие исследования:
- Использование радиационных дефектов для легирования кремниевой структуры диода.
- Измерение времени жизни носителей заряда способом Лэкса;
- Контроль параметров статики и динамики диодов.
- Нахождение полной мощности потерь и температурных величин структуры диода с присоединенным охладителем.
Результат исследования оптимизации, с помощью облучения кремниевой структуры полупроводникового прибора с помощью ускоренных электронов, показал улучшение системы параметров. Суммарная мощность потерь уменьшилась во всех рабочих режимах на 37%, а температура понижена на 28%. Результат подтвердил эффективность облучения структуры для получения надежных силовых полупроводниковых приборов.
Лавинно-пролетный диод
Рис. №3. Структура лавинно-пролетного диода.
Разновидность лавинного диода – лавинно-пролетный диод (IMPATT-диод). Он построен на основе лавинного умножения заряженных носителей. Прибор используется для генерации колебаний в СВЧ-диапазоне. Рабочая область прибора – область лавинного пробоя.
Структура состоит из кремния и арсенида галлия (металл-полупроводник) и другие. В базе диода, области заполненной электронами и дырками с неизменным значением тока возникает фаза, которая характеризуется большим значением напряженности поля, она предваряет появление лавинного ударного фронта.
Главный режим лавинно-пролетного диода – режим захваченной плазмы, состояние компенсированной полупроводниковой плазмы. Существует отдельный тип подобных диодов - BARITT-диоды, их характеризует инжекционно-пролетный режим.
Показатели технологического качества для конструкции лавинного диода
Основное преимущество лавинного диода перед выпрямительным в способности восстанавливать параметры в результате больших перенапряжений, в то время как вторые разрушаются и выходят из строя.
Рис. №4. Чертеж с габаритно-присоединительными размерами лавинного диода типа: а) ДЛ152 и б) ДП151.
Требования к качеству конструкции включают:
- В процессе изготовления диодов плотность дислокации кремния большого диаметра выше 60 мм, ограничивается до 102см2.
- Свирла-дефекты исключаются.
- Ограничивается содержание О2 и С в кремнии, который преобразуется в сложные комплексы Si-O и Si-C.
- Примесная атмосфера из примесей тяжелых и щелочных металлов на дислокациях существенно уменьшается.
- Существующие, так называемые «звездные дефекты», в виде микротрещин появляющихся в результате термической обработки в напряженном кремнии и ухудшающими ВАХ прибора, значительно снижаются.
Рис. №5. Параметры некоторых типов лавинных диодов.
Что необходимо для лавинного p-n-перехода
- Качественный кремний, который обладает отсутствием структурных дефектов в виде дислокаций, свирл-дефектов, незначительным содержанием примесных атомов и небольшим разбросом удельного сопротивления.
- Технологическая обработка не должна наносить повреждения кристаллической решетке, диффузия щелочных и тяжелых металлов должна быть ограниченна, а примесные атмосферы не должны появляться. И недолжна генерироваться локальная область дислокаций и упругого перенапряжения.
- Механические перенапряжения должны быть исключены.
- ОПЗ и приконтактная область не должны смыкаться. Небольшая напряженность электрического поля должна обеспечиваться защитой, качественным травлением и геометрией фаски.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось - это поможет развитию канала
Лавинный диод-принцип работы, применение, структура
Перед тем, как дать определение лавинного диода, разберемся с понятием лавинного пробоя p-n-перехода, потому как именно на нем основывается работа этого прибора, который является разновидностью стабилитрона и использует зенеровский пробой, правильнее назвать полупроводники с напряжением пробоя больше 5 В – лавинными диодами.
Понятие лавинного пробоя
Лавинный пробой инициируется сильным электрическим полем, им обладают полупроводники с p-n-переходом с большой толщиной. Неосновные носители, дислоцированные в переходе, забирают для себя основную функцию, при разгоне они ионизируют атомы. Новые электроны, а в основном это электроны теплового происхождения, сталкиваясь с атомами кремния, расположенными по соседству, вызывают лавинообразный рост всего процесса, создают новые пары электрон-дырка.
Действие пробоя обладает свойством обратимости и происходит без каких-либо последствий разрушительных для кристаллической структуры полупроводникового прибора, особенно если постараться не допустить перегрева прибора и ограничить величину тока. Значение напряжения для лавинного пробоя варьируется в границах значений от 5 до 1000 В, зависит от конструктивных особенностей диода и уровня легирования кремния.
Оптимизация лавинного диода
Рис. №1. Мощный силовой лавинный диод ДЛ153-2000, внешний вид.
Мощные лавинные диоды марки ДЛ153-2000 используются в трехфазных преобразователях, частота, в которых доходит до 500 Гц, они служат для выпрямления напряжения мощных турбогенераторов с мощностью до 320 МВт. Для снижения рабочих температур (допустимое значение 175оС) в длительном (номинальном) режиме и режиме форсировки при частоте 500 Гц необходимо принимать определенные меры. Понижение рабочего ресурса преобразователя и экспоненциальном (пропорциональном значению величины — скорости роста) росте интенсивности отказов из повышения температуры кремниевой структуры.
Рис. №2. Чертеж силового лавинного диода ДЛ153-2000.
В программу исследований по снижению потерь мощности и понижению температуры включены следующие исследования:
- Использование радиационных дефектов для легирования кремниевой структуры диода.
- Измерение времени жизни носителей заряда способом Лэкса;
- Контроль параметров статики и динамики диодов.
- Нахождение полной мощности потерь и температурных величин структуры диода с присоединенным охладителем.
Результат исследования оптимизации, с помощью облучения кремниевой структуры полупроводникового прибора с помощью ускоренных электронов, показал улучшение системы параметров. Суммарная мощность потерь уменьшилась во всех рабочих режимах на 37%, а температура понижена на 28%. Результат подтвердил эффективность облучения структуры для получения надежных силовых полупроводниковых приборов.
Лавинно-пролетный диод
Рис. №3. Структура лавинно-пролетного диода.
Разновидность лавинного диода – лавинно-пролетный диод (IMPATT-диод). Он построен на основе лавинного умножения заряженных носителей. Прибор используется для генерации колебаний в СВЧ-диапазоне. Рабочая область прибора – область лавинного пробоя.
Структура состоит из кремния и арсенида галлия (металл-полупроводник) и другие. В базе диода, области заполненной электронами и дырками с неизменным значением тока возникает фаза, которая характеризуется большим значением напряженности поля, она предваряет появление лавинного ударного фронта.
Главный режим лавинно-пролетного диода – режим захваченной плазмы, состояние компенсированной полупроводниковой плазмы. Существует отдельный тип подобных диодов — BARITT-диоды, их характеризует инжекционно-пролетный режим.
Показатели технологического качества для конструкции лавинного диода
Основное преимущество лавинного диода перед выпрямительным в способности восстанавливать параметры в результате больших перенапряжений, в то время как вторые разрушаются и выходят из строя.
Рис. №4. Чертеж с габаритно-присоединительными размерами лавинного диода типа: а) ДЛ152 и б) ДП151.
Требования к качеству конструкции включают:
- В процессе изготовления диодов плотность дислокации кремния большого диаметра выше 60 мм, ограничивается до 102см2.
- Свирла-дефекты исключаются.
- Ограничивается содержание О2 и С в кремнии, который преобразуется в сложные комплексы Si-O и Si-C.
- Примесная атмосфера из примесей тяжелых и щелочных металлов на дислокациях существенно уменьшается.
- Существующие, так называемые «звездные дефекты», в виде микротрещин появляющихся в результате термической обработки в напряженном кремнии и ухудшающими ВАХ прибора, значительно снижаются.
Рис. №5. Параметры некоторых типов лавинных диодов.
Что необходимо для лавинного p-n-перехода
- Качественный кремний, который обладает отсутствием структурных дефектов в виде дислокаций, свирл-дефектов, незначительным содержанием примесных атомов и небольшим разбросом удельного сопротивления.
- Технологическая обработка не должна наносить повреждения кристаллической решетке, диффузия щелочных и тяжелых металлов должна быть ограниченна, а примесные атмосферы не должны появляться. И недолжна генерироваться локальная область дислокаций и упругого перенапряжения.
- Механические перенапряжения должны быть исключены.
- ОПЗ и приконтактная область не должны смыкаться. Небольшая напряженность электрического поля должна обеспечиваться защитой, качественным травлением и геометрией фаски.
Лавинный диод способен обеспечить надежность электрической схемы и позволить снизить мощность применяемого диода, достигается это тем, что защитную роль от пробоя принимает лавинный ток, а не использование добавочного запаса по обратному напряжению силового диода.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Кремниевые лавинные диоды
Кремниевые лавинные диоды по сравнению с обычными полупроводниковыми диодами обладают тем преимуществом, что при превышении напряжения пробоя р–n - переход не разрушается, а пропускает большой ток в обратном направлении. До тех пор пока допустимая термическая мощность потерь в закрытом состоянии не превышается, не наступает разрушения запорного слоя (контролируемый пробой). Их разновидность Z-диоды (диоды Зенера, стабилитроны) с напряжением Uz = 3...200 В давно находят применение для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений в электронных схемах. Для обеспечения ЭМС были разработаны специальные кремниевые лавинные диоды с большим по площади р–n - переходом для высокого допустимого тока в обратном направлении. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов), трансвильдиодов, диодов поглотителей. Кремниевые лавинные диоды имеют, как и варисторы, время срабатывания в субнаносекундном диапазоне, которое, однако, на практике из-за индуктивности токопроводов перемещается в наносекундный диапазон. Аналогично варисторам они имеют сравнительно большие емкости (до 15000 пФ), что препятствует их применению в высокочастотных системах (исключение: последовательное включение с малоем-костными диодами).
На рис. 2.34 приведена характеристика ограничительного стабилитрона: максимальное напряжение UR , при котором диод еще закрыт; напряжение начала ограничения UB, при котором ток I = 1 мА; напряжение ограничения UC для импульса тока Iр (8/20 мкс).
Кремниевые лавинные диоды являются обычно однополярными конструктивными элементами. Путем встречного последовательного включения двух диодов получают симметричную характеристику, аналогичную характеристике варистора. Выбор кремниевых лавинных диодов происходит аналогично выбору варисторов на основании характеристик или предельных данных, даваемых изготовителем.
Искровые разрядники
Разрядники конструктивно изготавливаются в виде воздушных, газонаполненных устройств или элементов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенных в герметичный керамический, стеклянный или фарфоровый корпус, заполненный инертным газом.
Искровые разрядники перекрывают наибольший диапазон напряжений срабатывания. Они защищают как электроэнергетические системы при прямых ударах молнии (напряжение срабатывания вплоть до мегавольтового диапазона), так и телекоммуникационные сети (напряжение срабатывания больше 80 В). По сравнению с варисторами и лавинными диодами искровые разрядники отличаются ярко выраженными коммутационными свойствами (рис. 2.35). При динамической нагрузке напряжение на искровом промежутке становится сначала значительно выше статического напряжения пробоя, измеряемого при скорости увеличения напряжения 100 В/с. Спустя определенное статистическое время разрядник пробивается, в результате чего его сопротивление уменьшается приблизительно в десятки раз, а напряжение падает сначала до напряжения тлеющего разряда (70...130 В), а затем при достаточно малом внутреннем сопротивлении источника тока до напряжения дуги U < 20...25 В (в основном это падение напряжения в прианодной и прикатодной областях). Разница между напряжением тлеющего разряда и напряжением горения дуги на рис. 2.35 не показана.
Можно отметить два недостатка разрядников по сравнению с ограничителями перенапряжений. С одной стороны, при большой крутизне напряжение перед срабатыванием может на короткое время принимать очень большие значения, которые в некоторых случаях недопустимы для защищаемого объекта. С другой стороны, напряжение горения разрядника мало, так что в цепях постоянного тока разрядник после прохождения переходного перенапряжения при определенных обстоятельствах не гасится. В низкоомных сетях рабочее напряжение при этом вызывает через разрядник сопровождающий ток, который его термически разрушает.
Первая проблема решается путем выбора разрядника с нужной вольт-секундной характеристикой (насколько это возможно) либо ступенчатой грубой или тонкой защитой. Вторая проблема в системах электроснабжения решается путем последовательного включения к разряднику варистора. Вольт-секундная характеристика искрового разрядника описывает динамический режим срабатывания при воздействии импульсными напряжениями возрастающей крутизны. Она определяется производителем для каждого типа искрового
разрядника (рис. 2.36,а). Указанным выше недостаткам противостоят заметные преимущества разрядников, заключающиеся в высокой допустимой токовой нагрузке и малом активном сопротивлении после срабатывания, незначительной емкости электродной системы. Сопротивление изоляции искровых разрядников выше 1010 Ом, а их емкость менее 10 пФ.
Заполненные инертным газом разрядники образуют основу защиты от перенапряжений в сетях связи, высокое внутреннее сопротивление и низкое рабочее напряжение которых не допускает возникновения сопровождающего тока, так как напряжение горения дуги более 60 В. В низкоомных сетях и при повышенных рабочих напряжениях заполненные инертным газом разрядники находят широкое применение в гибридных схемах.
На рис. 2.37 показан разрядник с инертным газом. В зависимости от требований к статическому и динамическому режимам срабатывания газ, электроды и соответствующие устройства ускорения зажигания могут быть изготовлены радиоактивными.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 2
В системах электроснабжения находят применение воздушные защитные промежутки, которые образуются электродами,находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и рабочиехарактеристики близки к характеристикам газонаполненных разрядников. Так как они не способны обрывать сопровождающие токи, то их применение в качестве ограничительных элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в комбинации с предохранителями или варисторами, выполняющими функции дугогашения.
Находят также применение и закрытые воздушные (так называемые разделительные) промежутки в местах сближения грозозащитных устройств с другими заземленными частями устройства или металлическими конструкциями, которые по условиям коррозионной стойкости не должны быть гальванически долго соединены друг с другом. При грозовых воздействиях защитные промежутки устанавливаются там, где должны происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в течение грозового разряда частей устройства, отделенных друг от друга в нормальном режиме.
В системах электроснабжения используются разрядники со скользящим разрядом, которые содержат между электродами изоляционный материал. Вольт-секундные характеристики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных. Поэтому независимо от крутизны импульс перенапряжения ограничивается до значения 2...3 кВ. Такие разрядники способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях электропитания.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 3
Разделительные трансформаторы позволяют гальванически развязывать цепи переменного тока, поэтому они часто используются для разрыва контуров заземления, подавления синфазных помех и т.д. (рис. 2.38). При постоянном и переменном напряжении с частотой 50 Гц синфазные помехи подавляются полностью.
При более высоких частотах подавление синфазных помех снижается вследствие паразитной емкости между первичной и вторичной обмотками. В этом случае помогает заземленный экран, который позволяет синфазным токам течь непосредственно к источнику синфазного напряжения, проходя мимо приемника (рис. 2.39.). Так как разделительный трансформатор находится в цепи сигнала, его коэффициент трансформации в полосе частот сигнала должен быть постоянным.
Эффективность экрана существенно зависит от полного сопротивления Z обратной линии к источнику синфазного напряжения. Где лучше заземлить экран – у передатчика или приемника – зависит от места нахождения источника синфазного напряжения, размещения трансформатора и т. п. Для оценки степени подавления синфазной помехи необходимо знать значения емкостей между экранами и обмотками (100 пФ...1 нФ). При несимметричном расположении экрана относительно обмоток и несимметричном размещении изоляции, что является, как правило, результатом грамотно выполненной изоляции, рассчитанной на воздействие определенного перенапряжения, необходимо обращать внимание на установку экрана.
Правильно построенные разделительные трансформаторы для мостовых и других измерительных цепей имеют до трех экранов (рис. 2.40). Оптимальное подсоединение экрана зависит от вида и имеющихся условий присоединения к массе и земле.
В заключение рассмотрим две схемы включения разделительных трансформаторов. На рис. 2.41, а показана гальванически развязанная передача управляющих импульсов на электроды управления мощных полупроводниковых приборов, которые находятся под разными потенциалами трехфазной системы. На рис. 2.41, б показана схема подключения к сети питания измерительного прибора в лаборатории высокого напряжения. Возникающие в оболочке измерительного кабеля переходные токи из-за гальванической развязки не могут прямо через корпус прибора проходить на землю, а только через паразитную емкость Спар1. Из-за большого сопротивления пути прохождения тока по оболочке кабеля эти токи очень малы и, следовательно, создают малое напряжение помех.
Разделительный трансформатор не только снижает напряжения помех, но и предотвращает обратные перекрытия. Экран трансформатора благодаря емкости Спар2 приводит потенциал сетевого трансформатора осциллографа к потенциалу его корпуса и, таким образом, исключает опасность пробоя изоляции.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 4
Рассмотренные выше разделительные трансформаторы характеризуются нижней граничной частотой и не передают низкочастотных и постоянных напряжений. Если это необходимо, могут быть применены компенсирующие или нейтрализующие трансформаторы (режекторные дроссели, рис. 2.42). В простейшем случае нейтрализующий трансформатор представляет собой ферритовое кольцо с двумя одинаковыми обмотками. Обмотки таких трансформаторов включаются так, чтобы магнитные потоки текущих в противоположных направлениях токов полезного сигнала компенсировались, и поэтому трансформатор для них представляет малое сопротивление и не насыщается даже при больших значениях тока. Для синфазных токов обмотки действуют как индуктивности, так как магнитные потоки обмоток складываются и этим повышают полное сопротивление контура заземления, что при высоких частотах по смыслу равносильно разделению потенциалов.
При частотах выше 1 МГц вместо компенсирующих трансформаторов можно использовать ферритовые бусы и кольца, которые надеваются поверх обеих жил сигнального контура, либо ферритовые сердечники, на которые наматываются обе жилы сигнального контура. Сами провода тогда образуют равнонаправленные обмотки компенсирующего трансформатора (рис.2.43).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 5
С появлением микроэлектроники большое распространение получили оптроны и световодные линии. Светодиод или лазерный диод преобразует сигнал передатчика в световой сигнал, который после передачи через электрически изолирующую светопроницаемую среду в фотодиоде или фототранзисторе преобразуется в электрический сигнал. Обычные напряжения пробоя изоляции оптронов находятся в диапазоне от 500 В до 10 кВ. Участки каналов со световодами (волоконно-оптическими кабелями) могут выдерживать любые разности потенциалов, например до мегавольт.
Оптроны дают возможность эффективно подавлять синфазные помехи и часто используются для развязки заземленных контуров (например, во вводах и выходах регуляторов с программируемой памятью) или в системах передачи данных (рис. 2.44).
При заданных внешних условиях оптроны находят применение для передачи аналоговых импульсов напряжения или тока при высоких требованиях к ширине полосы пропускания и умеренных требованиях к коэффициенту передачи. В зависимости от оптоэлектрического преобразователя оптроны обладают различным усилением по току и разной полосой пропускания Δω. Например:
| Преобразователь | Iвых/Iвх | Δω |
| Диод | 0,01 | 10 МГц |
| Транзистор | 0,3 | 300 кГц |
| Транзистор Дарлинггона | 3 | 30 кГц |
Широкую полосу пропускания (10 МГц) в сочетании с большим усилением имеют оптроны, в которых применяется комбинация фотодиода и высокочастотного транзистора.
Для высокочастотных синфазных сигналов способность оптрона подавлять синфазную помеху сильно падает вследствие паразитной емкости между входом и выходом (от 1 до 10 пФ). Емкостная связь может быть уменьшена заземленным проводником, расположенным между входом и выходом, если это допустимо по напряжению.
Сколь угодно высокого подавления синфазной помехи, в том числе и при высоких частотах, можно достигнуть при помощи световодных линий (рис. 2.45). В то время как монолитные оптроны работают при напряжениях до 10 кВ, световодные линии выдерживают разность потенциалов вплоть до мегавольтового диапазона, например, в электроэнергетических системах или в электрофизических установках.
Подробные материалы о построении передающих и приемных компонентов имеются в многочисленной литературе.
Многоступенчатые схемы защиты. Принципы построения
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 6
Высокая работоспособность искровых разрядников, а также большое быстродействие и отсутствие сопровождающего тока у варисторов и диодов делают целесообразным создание гибридных схем из их комбинаций. Возможной комбинацией является последовательное включение различных видов защитных устройств (рис. 2.46).
На рис. 2.46, а показана схема вентильного разрядника, в которой последовательное включение нелинейного элемента способствует гашению дуги сопровождающего тока. В грозозащитных вентильных разрядниках в качестве материала варистора находит применение карбид кремния вследствие его долгосрочной стабильности. Присущий ему большой ток утечки здесь не играет роли, так как варистор при работе в нормальном режиме отделен от сети искровым разрядником.
Для устранения влияния емкости диодов Зенера и ограничивающих стабилитронов в высокочастотных цепях последовательно с ними включают малоемкостные диоды (рис. 2.46, б и в). Допустимый прямой ток малоемкостного диода должен быть равен максимальному импульсному току, а напряжение запирания должно быть больше Uр.
Наряду с последовательным включением применяется также параллельное включение искровых разрядников и варисторов (рис. 2.47). В цепи (рис.2.47, а)перенапряжение ограничено напряжением излома характеристики варистора, которое должно быть выбрано исходя из напряжения срабатывания искрового разрядника. По истечении статистического времени запаздывания искровой разрядник 
срабатывает и напряжение падает до значения, меньшего 20 В. Ток через варистор уменьшается таким образом до обычных малых значений тока утечки Iу, а искровой разрядник весь импульсный ток принимает на себя. Если требуется более низкий уровень защиты, меньший 100 В (например, при измерениях, управлении и регулировании технологических процессов), то оба элемента развязывают при помощи резистора или катушки индуктивности (рис. 2.47, б). Этот принцип подразделения на грубую и тонкую защиту можно при высоких требованиях распространить на трехступенчатую и многоступенчатую защиту (рис. 2.48). И наконец, в зависимости от окружающих помех и механизма связи для подавления синфазных помех можно еще дополнительно использовать LС-фильтр или оптрон (рис. 2.49).
Разрядники и многоступенчатые устройства всех видов в многочисленных вариантах – от защищенных розеток, защитных адаптеров кабельных линий и линий передачи данных до защитных блоков, вставляемых в стандартную плату, – все это поставляется многими предприятиями и имеется в продаже.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 7
Элементы, ограничивающие перенапряжения в этой области, должны, с одной стороны, обладать способностью отводить сильные импульсные токи (до 10 кА), а с другой – быстро ограничивать перенапряжения, близкие по значениям к рабочим напряжениям. Эти
требования удовлетворяются в многоступенчатых схемах. На рис.2.50 приведена схема одного из таких устройств, состоящего из газонаполненного разрядника, металлооксидного варистора (грубая защита) и ограничительного стабилитрона (тонкая защита). Под графиком указано время срабатывания ступеней. При появлении импульса перенапряжения сначала срабатывает стабилитрон. Ток I1вызывает падение напряжения на индуктивности L1(UL1 =L1·dI1/dt) ,что приводит к срабатыванию варистора. Под воздействием напряжения UL2 = =L2·dI2/dt разрядник пробивается. Таким образом приходящий импульс (10 кВ) со скоростью изменения напряжения 1 кВ/мкс ступенчато ограничивается до 35 В.
Аналогичные схемы разнообразных модификаций по системам передачи сигналов, напряжению и току являются обычными для линий передачи измерительной информации, сигналов регулирования и управления как связанных с заземлением, так и изолированных от земли. Конструктивно они встраиваются в корпусы приборов, в стандартные шины, клеммы или печатные платы для монтажа в стандартные устройства.
Устройства для защиты от перенапряжений линий передачи данных должны обеспечить защитные функции, не ухудшая свойства линии, т.е. они не должны вызывать в заданном частотном диапазоне недопустимого демпфирования. В таких устройствах исключается использование индуктивностей и варисторов из-за большой их собственной емкости.
На рис. 2.51, а в качестве примера приведена схема адаптера для устройства передачи данных. Он рассчитан на ток до 5 кА(импульс 8/20 мкс), срабатывает за время 100 пкс, ограничивает напряжение крутизной 1 кВ/мкс до 20 В и позволяет передавать информацию до 40 Кбайт/с.
На рис.2.51, б показан другой пример – схема адаптера, ограничивающего перенапряжения в коаксиальной системе передачи данных с заземленным сигнальным токовым контуром. В ней ограничительный стабилитрон, выполняющий функцию тонкой защиты, включен в диагональ моста, образованного диодами с малыми собственными емкостями. При этом собственная емкость стабилитрона не учитывается. В таком защитном устройстве граничная частота может быть выше 100 МГц.
Существуют также защитные устройства для всех широко распространенных стандартных плат, конструктивно совмещенных со встроенными разъемами.
При использовании ограничителей перенапряжений в сигнальных цепях и токовых контурах управления необходимо стремиться ограничить переходные перенапряжения до безопасного значения, при котором остаточное напряжение не будет восприниматься как полезный сигнал, что вызывало бы непредвиденную реакцию системы. Чтобы предотвратить это, необходимо использовать дальнейшие средства обеспечения электромагнитной совместимости, такие как применение волоконно-оптических кабелей и развязок, экранирования кабелей и аппаратуры, применение различных мероприятий по снижению уровней помех при распространении в сети.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Page 8
Элементы защиты от перенапряжений, устанавливаемые в цепях питания, служат для исключения проникновения в устройства и оборудование, эксплуатируемое в помещениях, импульсов, способных вызвать помехи либо повреждения или же для снижения остаточного напряжения устройств грубой защиты до допустимых для установленного оборудования значений. В качестве примера на рис. 2.52 приведена схема грубой защиты при централизованном питании. Она защищает фазы и нейтраль от поступающих внешних перенапряжений и состоит из параллельно включенных в каждой цепи разрядника с поверхностным разрядом и металлооксидных варисторов с тепловой сигнализацией (контакты а и б служат для дистанционного контроля нагрева варистора из-за повышенного тока утечки, перегрева). Разрядники способны выдерживать токи, обусловленные молнией, и гасить дугу сопровождающего тока.
При приходе импульса перенапряжения сначала работает варистор (время срабатывания примерно 25 нс), а затем срабатывает разрядник с запаздыванием порядка микросекунд. Пропускная способность такого устройства по току может достигать 100 кА (импульсы 8/20 мкс), а перенапряжение ограничивается до 2…3 кВ. Эти напряжения являются слишком большими для промышленных электронных устройств, и поэтому они дополнительно ограничиваются, как правило, варисторами, рассчитанными на ток до 10 кА и напряжение до 1 кВ.
Такие приборы, как компьютеры, терминалы, печатающие устройства, плоттеры и другие, защищаются дополнительно при помощи устройств, вмонтированных в сетевые розетки или при помощи
включения адаптеров. Ток подобных устройств лежит в пределах 2,5…5 кА, поперечное напряжение ограничивается до 600-700 В, продольное – до значения менее 1,5 кВ. Часто адаптеры сочетают функции ограничителя перенапряжений и фильтра для подавления высокочастотных помех (рис. 2.53).
Важными параметрами, которые необходимо учитывать при выборе защитных сетевых элементов, являются длительно выдерживаемое напряжение, приложенное к их вводам, токовая импульсная нагрузка и связанное с ней напряжение ограничения.
Следует учитывать, что в цепях постоянного тока необходимо обеспечить условия для гашения дуги в разряднике после его срабатывания. Наиболее просто это реализуется включением последовательно с разрядником предохранителя. Импульс напряжения с амплитудой до нескольких киловольт и длительностью в сотни наносекунд, пропускаемый разрядником, шунтируется следующей ступенью – варистором, срабатывающим за время меньше 10 нс в диапазоне напряжений до 1,5 кВ. Между разрядником и варистором ставят элемент, задерживающий срабатывание варистора на время, необходимое для срабатывания разрядника. После срабатывания варистор облегчает условия работы разрядника и пропускает к высокочувствительной ступени защиты импульс с малой амплитудой и энергией.
Высокочувствительная ступень защиты выполняется для силовых цепей – на основе фильтров, для слаботочных цепей – на основе стабилитронов и диодов. Номинальное напряжение варисторов защиты в 1,3 раза больше сетевого напряжения. Напряжение пробоя газового разрядника составляет 0,7 от напряжения пробоя изоляции. Возможный вариант схемы защиты для силовых цепей показан на рис.2.54.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
5.6. Лавинные диоды
Лавинным диодом называется диод с контролируемым напряжением лавинообразования.
При воздействии обратного напряжения большего, чем напряжение пробоя происходит резкое возрастание обратного тока. Этот ток распределяется равномерно по поверхности p-n-перехода. Так как этот ток не сосредоточивается в отдельных точках, то не происходит местного теплового пробоя. При этом наступает равномерный лавинный пробой, т.е. электрический разряд через диод. При таком разряде напряжение на диоде поддерживается на прежнем уровне и в p-n-переходе может выделяться энергия, значительно большая, чем в обычных диодах. Таким образом, лавинные диоды способны выдерживать напряжение лавинообразования, вследствие чего перенапряжения прикладываются к другим элементам электрической цепи, менее чувствительным к ним.
Основу лавинного диода составляет кремниевый выпрямительный элемент, заключенный в герметичный корпус. Конструкция лавинного диода – примерно такая же, как у обычного силового диода (рис. 5.2).
На рис. 5.2 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины; 2 – область проводимости p-типа; 3 – защитное (охранное) кольцо; 4 – область проводимости n-типа.
ЭДП изготавливают путем диффузии алюминия, бора и фосфора в кремний по технологии, обеспечивающей однородный состав кремния с равномерным размещением в нем примесей и структурных дефектов (дислокаций), вследствие чего достигается равномерное распределение проводимости по всей площади перехода. При таком выполнении ЭДП с ростом обратного тока увеличивается число локальных участков пробоя (микроплазм), через которые протекает ток. При этом уменьшается плотность тока микроплазм на каждом участке и не происходит теплового пробоя. Таким образом, лавинные диоды при пробое могут рассеивать большую мощность, чем диоды нелавинные.
Рис. 5.2. Конструктивное исполнение лавинного вентиля
В кремниевых нелавинных диодах слабыми местами, где лавинный пробой обычно переходит в тепловой, являются участки ЭДП по периметру полупроводникового элемента (структурные дефекты), через которые и проходит в основном обратный ток.
Чтобы предотвратить возможность такого поверхностного пробоя в лавинном диоде, его ЭДП придают ступенчатую форму.
Концентрация примесей в охранном кольце делается значительно меньшей, чем в центральной части, а толщина диффузионного слоя большей (в области защитного кольца она составляет 120-160 мкм, а в центральной части – 60-80 мкм). В результате напряжение пробоя для алюминиевого перехода оказывается большим, чем для борного, что исключает вероятность поверхностного пробоя. Таким образом, в лавинном диоде при достижении напряжения пробоя основная часть обратного тока определяется лавинным увеличением числа носителей электричества в центральной (низковольтной) части ЭДП, в которой ток распределяется равномерно по его поверхности. Наружное (высоковольтное) кольцо при этом напряжении не пробивается, поэтому диод не выходит из строя.
Отечественные диоды имеют керамический корпус. Герметичность диода обеспечивается уплотнительным кольцом. Анодом лавинного диода служит основание корпуса, катодом – гибкий вывод с наконечником.
Для повышения рабочего тока диода необходимо улучшать теплоотвод, т.е. улучшать охлаждение полупроводникового элемента, увеличивать площадь p-n-перехода и уменьшать механические напряжения, возникающие в кремниевой пластине в результате теплового расширения при прохождении тока. Все это использовано при создании диодов таблеточной конструкции.
Диоды Зенера или стабилитроны и что такое лавинные диоды
Радиотехника
|
В материале полупроводники мы рассматривали лавинный пробой. Исходя из материала в статье можно сделать краткий вывод - что такое стабилитроны и лавинные диоды: Стабилитрон или диод Зенера - это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. В отличии от обычных диодов, стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и что самое главное - может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Лавиннный диод — это полупроводниковый диод, разновидность стабилитрона, обычно изготавливаемый из кремния, работа которого основана на обратимом лавинном пробое p-n перехода при обратном включении, то есть при подаче на слой полупроводника с p-типом проводимости (анода) отрицательного относительно n-слоя (катода) напряжения. Лавиннные диоды, не следует путать с лавинно-пролетными диодами: Лавинно-пролетный диод - это полупроводниковый диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя. |
Выпрямительные диоды, диодные мосты и области их применения
Лавинные диоды (или по-другому диоды выпрямительные) способны эффективно генерировать процесс лавинно – образования. Это свойство позволяет нивелировать поле возникающего импульса мощности за небольшой временной интервал. Классифицируются лавинные диоды (согласно техническому регламенту) на типовые классы с цифровыми маркерами от 4 до 12.
Самым надёжным их исполнением считается корпус из термостойкой металлокерамики (или же при сочетании металла и стекла). Производятся лавинные диоды в виде двух типовых форм – таблеточной и штыревой.
Сферы использования лавинного диода
Этот силовой компонент считается незаменимой частью для многих типов электротехнического оборудования:
- агрегаты для проведения сварочных работ;
- мощные гальванические установки;
- автономные источники тока с постоянным значением для соленоидов и магнитов;
- электрогенерирующие узлы промышленного типа, а также аналоговые устройства, применяющиеся на транспорте.
Стоит учитывать, что в независимости от использующегося типа оборудования параметр частоты в цепях с постоянным и переменным током не должен быть выше, чем 500 Гц.
Надёжная система защиты
Лавинный диод, купить который можно на нашем официальном сайте, эффективно борется с негативным воздействием, так называемого, коммутационного перенапряжения. Это позволяет значительно снизить, а в большинстве случаев и полностью исключить повреждение рабочего оборудования.
По сути, лавинные диоды – это оптимизированная защитная система, предотвращающая опасность скачков напряжения. Чтобы максимально использовать потенциал этих изделий целесообразно производить установку их в большом количестве. Единственным условием, которое необходимо будет соблюдать, будет являться их строгий, последовательный порядок соединения. Если вы решили лавинный диод купить именно для этой цели, то обращайте внимание на параметр прямого, импульсного напряжения – разброс этого значения в партии не должен превышать 0,2 В.
Надёжный выбор!
Диоды лавинные с ценой на порядок ниже, чем у конкурентов, станут выгодным приобретением для специалистов в области ремонта и наладки сложного электротехнического оборудования. ООО «Компания ЭЛКОМ» всегда готова прийти к вам на помощь! Для получения более подробной информации об описанной категории и оформлении заказа перейдите по ссылке http://www.ruelcom.ru/diody-lavinnye.
