+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Стабилитроны

3.8. Стабилитроны

 

Стабилитрон – это специальный полупроводниковый диод, при работе которого используется обратная ветвь вольт-амперной характеристики в режиме электрического пробоя. При значительных изменениях силы обратного тока через диод напряжение на нем практически не изменяется (стабильно). Если параллельно стабилитрону подключить нагрузку, то напряжение на ней тоже не будет изменяться. Стабилитроны изготавливаются из кремния и называются иногда опорными диодами. У них до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя сравним с прямым током. На рисунке 3.29 показан вид обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона.

Стабилитрон характеризуется следующими основными параметрами: минимальный и максимальный ток стабилизации, напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации (см. рис. 3.29), дифференциальное сопротивление, температурный коэффициент напряжения стабилизации, максимальная допустимая мощность, рассеиваемая в стабилитроне.

Дифференциальное сопротивление – это отношение изменения напряжения стабилизации к изменению силы тока стабилизации. Изменение тока нужно выбирать как можно меньше, чтобы можно было указать значение сопротивления для определенного тока стабилизации. С уменьшением тока стабилизации дифференциальное сопротивление стабилитрона увеличивается. Минимальное значение тока стабилизации как раз и определяется допустимым увеличением дифференциального сопротивления стабилитрона.

Дифференциальное сопротивление стабилитронов составляет единицы и десятки ом. Для идеального стабилитрона дифференциальное сопротивление равно нулю и рабочую (обратную) ветвь вольт-амперной характеристики можно аппроксимировать двумя отрезками прямых. При напряжении, меньшем напряжения стабилизации, ток через стабилитрон равен нулю. При напряжении, равном напряжению стабилизации, изменение тока через стабилитрон не приводит к изменению напряжения на нем.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона (сопротивление переменному току) не следует путать с его статическим сопротивлением (сопротивлением постоянному току), которое во много раз больше дифференциального.

Максимальный ток стабилизации стабилитрона определяется допустимой мощностью рассеяния.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 К:

Часто ТКН выражают в процентах.

ТКН стабилизации может быть отрицательным (у полупроводников с большой концентрацией примесей, малой толщиной перехода, где пробой происходит за счет туннельного эффекта) и положительным (в полупроводниках с меньшей концентрацией примесей, большей толщиной p-n перехода, где пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным). У некоторых стабилитронов  ТКН стабилизации изменяет знак при изменении величины тока через стабилитрон.

Значение тока через стабилитрон, при котором изменяется знак ТКН стабилизации, определяет так называемую термостабильную точку стабилитрона

. Знание такой точки важно при проектировании высокостабильных стабилизаторов постоянного напряжения.

 

1.06. Динамическое сопротивление

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Напряжение, ток и сопротивление



Часто приходится иметь дело с электронными устройствами, в которых ток I не пропорционален напряжению U; в подобных случаях нет смысла говорить о сопротивлении, так как отношение U/I не является постоянной величиной, независимой от U, а, наоборот, зависит от U. Для подобных устройств полезно знать наклон зависимости U — I (вольт-амперной характеристики). Иными словами, представляет интерес отношение небольшого изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему: ΔU/ΔI (или dU/dl). Это отношение измеряется в единицах сопротивления (в омах) и во многих расчётах играет роль сопротивления. Оно называется сопротивлением для малых сигналов, дифференциальным сопротивлением, динамическим или инкрементным сопротивлением.

Рис. 1.13. Вольт-амперные характеристики; а — резистор линейная зависимость ; 6 — зенеровский диод (нелинейная зависимость).

Зенеровские диоды (стабилитроны). В качестве примера рассмотрим зенеровский диод (стабилитрон), вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 1.13. Зенеровские диоды используют для получения постоянного напряжения на каком-либо участке схемы. Это достигается за счет тока (в грубом приближении постоянного), получаемого от источника большего напряжения в той же схеме. Например, зенеровский диод, представленный на рис. 1.13, преобразует питающий ток, изменяющийся в указанном диапазоне, в соответствующий (но более узкий) диапазон напряжений. Важно понять, как будет вести себя соответствующее напряжение на зенеровском диоде (зенеровское напряжение пробоя) при изменении питающего тока, это изменение есть мера влияния изменений питающего тока. Оно характеризуется динамическим

рис. 1.14. Регулятор на зенеровском диоде.

сопротивлением зенеровского диода, определяемым при заданном токе. (Учтите, что динамическое сопротивление зенеровского диода в режиме стабилизации изменяется обратно пропорционально току). Например, динамическое сопротивление зенеровского диода, создающего напряжение стабилизации 5 В, может быть равно 10 Ом при токе 10 мА. Воспользовавшись определением динамического сопротивления, найдём, чему будет равно изменение напряжения при изменении питающего тока на 10%: ΔU = R

динΔI = 10·0,1·0,001 = 10 мВ или ΔU/U = 0,002 = 0,2%. Тем самым подтверждаются высокие стабилизирующие качества зенеровского диода. На практике часто приходится иметь дело с такими схемами, как показанная на рис. 1.14. Здесь ток, протекающий через стабилитрон и резистор, обусловлен имеющимся в той же схеме напряжением, большим чем напряжение стабилизации. При этом I = (Uвх — U
вых
)/R и ΔI = (ΔUвх — ΔUвых/R) тогда ΔUвых = RдинΔI = (Rдин/R)(ΔUвх — ΔUвых) и наконец, ΔUвых = ΔUвхRдин/(R + Rдин). Следовательно, по отношению к изменениям напряжения схема ведёт себя как делитель напряжения, в котором зенеровский диод заменён резистором, сопротивление которого равно динамическому сопротивлению диода при рабочем токе. Приведённый пример показывает, для чего нужен такой параметр, как динамическое сопротивление. Допустим что в рассмотренной нами схеме входное напряжение изменяется в пределах от 15 до 20 В, а для получения стабильного источника напряжения 5,1 В используется зенеровский диод типа 1NA733 (зенеровский диод с напряжением 5,1 В и мощностью 1 Вт). Резистор сопротивлением 300 Ом обеспечит максимальный зенеровский ток, равный 50 мА: (20-5,1)/300. Оценим изменение выходного напряжения, зная, что максимальное сопротивление для выбранного диода составляет 7 Ом при токе 50 мА. В диапазоне изменения входного напряжения ток через зенеровский диод изменяется от 50 мА до 33 мА; изменение тока на 17 мА вызывает изменение напряжения на выходе схемы, равное ΔU = R
дин
ΔI, или 0,12 В. Другие примеры использования зенеровских диодов вы найдёте в разд. 2.04. В реальных условиях зенеровский диод обеспечивает наивысшую стабильность, если он питается от источника тока, у которого по определению R
дин
= ∞ (ток не зависит от напряжения). Но источник тока представляет собой достаточно сложное устройство, и поэтому на практике мы чаще всего удовлетворяемся простым резистором.

Туннельные диоды. Ещё один интересный пример использования параметра динамического сопротивления связан с туннельным диодом. Его вольт-амперная характеристика показана на рис. 1.15.

рис. 1.15.

В области между точками А и В он обладает отрицательным динамическим сопротивлением. Из этого вытекает важное следствие: делитель напряжения, состоящий из резистора и туннельного диода, может работать как усилитель (рис 1.16).

рис. 1.16.

Воспользуемся уравнением для делителя напряжения и для изменяющегося напряжения Uсигн, получим Uвых = [R/(R + rt)] Uснгн, где rt — динамическое сопротивление туннельного диода при рабочем токе, Uсигн — изменение малого сигнала, которое до настоящего момента мы обозначали через ΔUсигн (в дальнейшем мы будем пользоваться этим широко распространённым обозначением). Для туннельного диода rt динt дин бат создаёт постоянный ток, или смещение, которое смешает рабочую точку в область отрицательного сопротивления. (Безусловно, во всяком усилительном приборе необходимо иметь источник питания.)

И наконец, в двух словах история туннельных диодов: они появились в конце 50-х годов, и с ними сразу стали связывать пути разрешения множества проблем схемотехники. Их высокое быстродействие дало основание предположить, что они произведут революцию в области вычислительной техники. К сожалению, оказалось, что эти элементы сложны в использовании; это обстоятельство, а также успешное развитие транзисторов привело к тому, что туннельные диоды сейчас почти не находят применения.

Позже при рассмотрении активных фильтров мы вернемся к явлению отрицательного сопротивления. Тогда вы познакомитесь со схемой преобразователя отрицательного импеданса, которая обеспечивает наряду с другими характеристиками настоящее (а не динамическое) отрицательное сопротивление.


Сигналы


Дифференциальное сопротивление стабилитрона — это… Что такое Дифференциальное сопротивление стабилитрона?

Дифференциальное сопротивление стабилитрона

84. Дифференциальное сопротивление стабилитрона

D. Z-Widerstand der Z-Diode

E. Differential resistance within the working voltage range

F. Résistance différentielle dans la zone des tensions de régulation

rст

Дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации стабилитрона

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

  • Дифференциальное сопротивление диода
  • дифференциальное сравнение

Смотреть что такое «Дифференциальное сопротивление стабилитрона» в других словарях:

  • дифференциальное сопротивление стабилитрона — rст rz Дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации стабилитрона. [ГОСТ 25529 82] Тематики полупроводниковые приборы Обобщающие термины стабилитроны EN differential resistance within the working voltage range DE Z… …   Справочник технического переводчика

  • Стабилитрон — У этого термина существуют и другие значения, см. Стабилитрон (значения) …   Википедия

  • ГОСТ 25529-82: Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров — Терминология ГОСТ 25529 82: Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров оригинал документа: 87. Временная нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона D. Zeitliche Instabilitat der Z Spannung der Z… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Операционный усилитель 741 — в корпусе TO 5 Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741)  универсальный интегральных операционный усилитель второго поколения на биполярных транзисторах. Оригинальный μA741 был разработан в 1968 году Дэвидом… …   Википедия

  • Внутренняя структура операционного усилителя 741 — Операционный усилитель 741 в корпусе TO 5 Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) один из первых интегральных операционных усилителей на биполярных транзисторах. Разработан в 1968 году и производится до сих пор. ОУ 741… …   Википедия

Источники опорного напряжения

Министерство Образования и Науки РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Факультет Автоматики и Вычислительной Техники

Кафедра Систем Сбора и Обработки Данных

Дисциплина «Схемотехника»

ОТЧЕТ

 по лабораторной работе №5

«Источники опорного напряжения»

Выполнили                                                                       Проверил:

студенты                                                                            Квеглис С.В.

Группы: АТ-33                                                                  

Кармаков В.И.

Шевцов А.Н.

Вариант 10

2005

Цели работы:

1.  Познакомиться с принципами построения источников опорного напряжения на стабилитронах и на напряжении запрещенной зоны полупроводника

2.  Исследовать характеристики источников опорного напряжения

1. Стабилитронный источник опорного напряжения

Простейший источник опорного напряжения может быть построен на основе стабилитрона. Стабилитрон представляет собой диод, работающий при обратном смещении на участке пробоя, где ток пробоя очень быстро нарастает при дальнейшем росте напряжения.

Стабилитроны выпускаются на целый ряд напряжений (от 2В до 200В), с допуском на напряжение стабилизации от 1% до 20%, с номинальной рассеиваемой мощностью от долей Ватта до 50Вт.

Чтобы получить из стабилитрона источник опорного напряжения, необходимо обеспечить прохождение через него постоянного тока (хотя бы – приблизительно постоянного). Проще всего это сделать, подключив стабилитрон через резистор к источнику постоянного напряжения.

Рис.1. Простейший источник опорного напряжения на основе стабилитрона

1.  Экспериментально определить дифференциальное сопротивление стабилитрона .

Рис.2. График дифференциального сопротивления стабилитрона .

Первый график – это напряжение, снимаемое со стабилитрона. Второй – это ток, протекающий через стабилитрон, а третий – это производная от напряжения стабилитрона по току, протекающему через него, то есть это и есть график зависимости =ΔUст/ΔIст.

2.  Аналитически определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=470 Ом и для R1=1 кОм.

Коэффициент нестабильности питающего напряжения можно рассчитать по формуле:

 , где ΔUпит=16,5-13,5=3В,а ΔUвых необходимо рассчитать для 2-х вышеуказанных случаев. Рассчитаем их:

rст=2.53 Ом

R1=1 кОм

R2=10r=кОм, поэтому параллельное соединение rст и R2 ,рассчитывая по формуле:

 

Uвых рассчитаем по формуле:


Если R1=470 Ом, то:

3.  Экспериментальная проверка результатов расчетов по п.2.

Рис.3. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон.

R1=470 Ом.

Из графиков видно, что =0,008В, поэтому дальнейшие расчеты будут такие же, и 

Рис.4. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=1 кОм.

Из  графиков видно, что в этом случае =0,016В поэтому дальнейшие расчеты будут тике же, и:

4. Определение мощности, выделяемой на стабилитроне, расчет температуры его p-n перехода, если температура окружающей среды составляет +20°С.

Рис.5.Зависимости  выходного напряжения и тока, втекающего в стабилитрон от

температуры окружающей среды.

2. Источник опорного напряжения со стабилизацией тока через стабилитрон

Рис.6. Источник опорного напряжения с питанием стабилитрона постоянным током.

1. Экспериментально определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения схемы на рисунке 6 при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=510 Ом и для R1=1 кОм.

Рис.7. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=510 Ом.

Рис.8. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=1 кОм.

2. Экспериментальное определение температурного коэффициента опорного напряжения в диапазоне температур окружающей среды 0ºC ÷ +70ºC. Сравнение с паспортными данными на стабилитрон.

Рис.9. Зависимости выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон от температуры окружающей среды.

По паспортным данным максимальный ТК=0,03 , по расчетам получилось, что ТК=0,028 , что удовлетворяет  паспортным данным. Изучив паспортные данные может сказать, что данный источник опорного напряжения может работать в широком диапазоне температур (-60 ºС-200 ºС), что подтверждает и маленький ТК(изменение температура на 260 ºС приведет к изменению напряжения на 0,03*260=7,8%).

3. Изменение схемы для увеличения тока стабилизации, а также сделать возможным подключение более низкоомной нагрузки. Повторение для измененной схемы исследований по п.1 и 2.

Данную схему можно изменить, согласно условиям, либо уменьшив сопротивление резистора R1(ток в контуре сопротивлений R1 и R2 возрастёт и сопротивление R2 можно будет уменьшить для поддержания постоянного напряжения), либо включив дополнительный транзистор структуры npn(он обеспечит рост тока в нагрузке R2 и сопротивление можно будет уменьшить).

Рис.10. Измененная схема источника опорного напряжения

с питанием стабилитрона постоянным током

1. Экспериментально определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения схемы на рисунке 6 при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=510 Ом и для R1=1 кОм.

Рис.11. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=510 Ом.

Рис.12. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=1 кОм.

2. Экспериментальное определение температурного коэффициента опорного напряжения в диапазоне температур окружающей среды 0ºC ÷ +70ºC. Сравнение с паспортными данными на стабилитрон.

Рис.13. Зависимости выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон от температуры окружающей среды.

0.0       +10.057          +5.030m

+10.000          +10.086          +5.045m

+20.000          +10.114          +5.059m

+30.000          +10.143          +5.073m

+40.000          +10.172          +5.088m

+50.000          +10.200          +5.102m

+60.000          +10.229          +5.116m

+70.000          +10.258          +5.130m

3. Источники опорного напряжения на запрещенной зоне полупроводника

Рис.14. Простейшее токовое зеркало

1. Для данной схемы исследование зависимости  и   от .

Рис.15. Графики зависимости  и   от .

2. Для данной схемы исследование зависимости  и   от температуры при =5мА в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.16. Графики зависимости  и   от температуры при =5мА

в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.17. Токовое зеркало с коэффициентом отражения, меньшим 1.

1. Для данной схемы исследование зависимости ,   и   от .

Рис.18. Графики зависимости ,   и   от .

2. Для данной схемы исследование зависимости ,   и  от температуры при =5мА в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.19. Графики зависимости ,   и  от температуры при =5мА

в диапазоне –40°С…+85°С

Рис.20. Источник опорного напряжения +5В с запрещенной зоной.

1. Для данной схемы исследование зависимости , ,  и  от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.21. Зависимость  и    от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.22. Зависимость   и  от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.23. Преобразованная схема.

Поэтому можно выбрать:

R7=10 кОм

R8=47,2 кОм (экспериментально)

R9=12 кОм

R10=10 кОм

Рис.24. График зависимости от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

4. Полупроводниковый диод. Дифференциальное сопротивление в прямом включении

  Для начала стоит разобраться с понятием «дифференциальное сопротивление». Я думаю, многие знают, что из себя представляет обычное «омическое» сопротивление и легко могут его найти, зная закон Ома:

 I=U⁄R,                                                                                               (1)

где I ─ ток, протекающий в цепи, U ─ Напряжение на участке цепи, R ─ сопротивление участка цепи.
Благодаря этой формуле, мы легко вычисляем сопротивление и не паримся. Это справедливо к обычному резистору, сопротивление которого не меняется от приложенного тока и напряжения ( пока он не начнет гореть от перегрузки, но это уже другая история :)). 

  Если мы возьмем диод, приоткроем его определенным напряжением и начнем расчитывать его сопротивление по обычной формуле, исходя из полученных токов и напряжений, ничего путного из этого не получится, поскольку данная формула применима к линейным элементам (коим и является обычный резистор). Расчеты окажутся некорректными, поскольку диод имеет НЕЛИНЕЙНУЮ (экспоненциальную) вольт-амперную характеристику, график которой был приведен в этой статье, из которого видно, что при изменении протекающего тока, напряжение изменяется непропорционально.

 Тут как раз на помощь приходит дифференциальное сопротивление, которое показывает, насколько изменяется это самое сопротивление при изменении тока или напряжения в нашем элементе. Оно имеет вид:

   d(R)=|U2-U1|/|I2-I1|,                                                                                  (2)

где d(R) ─ дифференциальное сопротивление, U2-U1 ─ дифференциальное (разностное) напряжение на участке цепи, I2-I1 ─ дифференциальный (разностный) ток, протекающий в цепи.

  Допустим, захотелось нам вычислить сопротивление диода. И тут есть,по крайней мере, два пути. Первый путь достаточно прост. Умные дяденьки, исходя из формулы вольт-амперной характеристики диода, вывели формулу, с помощью которой можно вычислить дифференциальное сопротивление диода, исходя из протекающего тока. Выглядит она таким образом:

d(R)=(k*T/e)/I,                                                                                        (3)

где k ─ постоянная Больцмана, T ─ абсолютная температура в Кельвинах, e ─ заряд электрона.

  Далее, дяденьки пошли дальше и ввели величину теплового потенциала (ϕT), она равна:

ϕT=k*T/e                                                                                            (4)

При комнатной температуре (20…25°С), величина ϕT≈25 (мВ), а при другой температуре расчитать несложно, поскольку k и e ─ всем известные константы, а T ─ это собственно температура :).

Исходя из вышеописанного, формула 3 три приобретает вид:

 d(R)=ϕT/I,                                                                                           (5)

Допустим, мы при комнатной температуре провели через диод ток величиной 1 милиампер. Расчитаем дифференциальное сопротивление диода по формуле 5:

d(R)=25/1=25 Ом                                                                                         

Собственно говоря, на этом весь расчет и окончился :). Полученные результаты на 100% верны, если вольт-амперная характеристика нашего диода идеально экспоненциальная. Естественно, идеального ничего не бывает, поскольку на практике характеристика диода немного отличается от экспоненциальной, поэтому погрешность, конечно, есть. Это был первый путь.

  Второй путь ─ сугубо практический. Берем диод, пропускаем через него ток ,смотрим падение напряжения, записываем результаты. Далее, повышаем ток, смотрим падение напряжения, записываем результаты, после чего, расчитываем сопротивление с помощью формулы 2. Такой подход актуален, когда нужно прям очень точно  расчитать сопротивление (мое мнение ─ на практике такая точность нахрен никому не нужна :)). Этим мы и займемся. В симуляторе выбираем диод, пропускаем через него ток 1 миллиампер смотрим падение напряжения при этом:

Напряжение составило 611,5 мВ. Повысим мы, допустим, ток в 3 раза (мне так захотелось). Что при этом получилось:

Падение напряжения составило 671,9 мВ. Ну что же, данные есть, осталось только подставить в формулу 2:

d(R)=(671,9-611,5)/(3-1)=30,2 Ом                                                                             

Наше дифференциальное сопротивление составило 30,2 Ом. Вспомним, что с помощью первого метода расчета, оно составило 25 Ом. Какой расчет выбирать? Дело уже Ваше. Как правило, на практике, первого метода вполне достаточно.

  

Стабилитроны и стабисторы

Машиностроение Стабилитроны и стабисторы

просмотров — 567

Стабилитроном принято называть полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 2.7), ᴛ.ᴇ. с большим значением крутизны DI/DU (DI = IСТ MAXIСТ MIX). В случае если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор принято называть стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации UСТ соответствует напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n-перехода при некотором заданном токе стабилизации IСТ (рисунок 2.7). Возможности получения стабильного напряжения характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона rД = DU/DI, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ должно быть как можно меньше.

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации UСТ, минимальный и максимальный токи стабилизации IСТ MIN и ICTMIN, дифференциальное сопротивление rД, а так же температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKU) – относительное изменение напряжения стабилизации ΔUСТ при изменении температуры корпуса прибора на 1о С.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: Ucт от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы.

Рис. 2.7. К определœению

параметров стабилитронов

Простейшая схема стабилизации напряжения с использованием стабилитрона представлена на рисунке 2.8. Сопротивление нагрузки RН подключается параллельно стабилитрону, гасящее сопротивление RГ служит для ограничения тока через стабилитрон.

Рис. 2.8. Схема включения стабилитрона

Тогда:

(2.3)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид:

(2.4)

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка. На рисунке 2.9 приведена характеристика стабилитрона и две нагрузочные прямые при двух напряжениях питания UП1 и UП2. При изменении напряжения источника питания (напряжения на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе.

Рис.2.9. Характеристика стабилитрона с нагрузочными характеристиками.

Т.к. входное напряжение может, как увеличиваться, так и уменьшаться, то рабочая точка выбирается на серединœе участка стабилизации. При этом ток, текущий через стабилитрон IСТ1 и IСТ2 будет изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

В случае изменения сопротивления нагрузки при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом аналогично тому, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.


Читайте также


  • — Стабилитроны и стабисторы

    Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на об­ратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рис. 2.2), т.е. с большим значением крутизны DI/DU (DI= Icт max — Iст min). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор… [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы

    Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на об­ратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рис. 2.2), т.е. с большим значением крутизны DI/DU (DI= Icт max — Iст min). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор… [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы

    Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 2.7), т.е. с большим значением крутизны DI/DU (DI = IСТ MAX – IСТ MIX). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор… [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы.

    Эти полупроводниковые приборы предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении протекающего через диод тока. У стабилитронов рабочим является пробойный участок вольтамперной характеристики в области обратных напряжений (рис. 5). На этом участке… [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы

    Импульсные диоды Высокочастотные диоды Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график… [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы.

    Приборы, на основе p-n-перехода, предназначенные для стабилизации напряжения. Стабилитрон – полупроводник диод, ВАХ который имеет участок малой зависимости приложенного напряжения от тока, протекающего через него. Такой участок лежит на обратной ветви ВАХ и возникает в… [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы

    Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться. ВАХ стабилитрона представлена на рис. 13. Для стабилитронов указывается два основных параметра: Uст — напряжение стабилизации стабилитрона; … [читать подробенее]


  • — Стабилитроны и стабисторы

    В отличие от обычных диодов стабилитроны и стабисторы имеют особые вольтамперные характеристики, обусловливающие их применение для стабилизации напряжения, рис.2.34. Рис.2.34. Вольтамперные характеристики диодов, предназначенных для стабилизации напряжения а. –… [читать подробенее]


  • Стабилитрон. Простейшие стабилизаторы на нем: grodenski — LiveJournal

    Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До его наступления, сопротивление стабилитрона высоко и через него протекают небольшие токи утечки. Когда  наступает пробой —  дифференциальное сопротивление падает и ток резко возрастает. Напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.

    так выглядят некоторые стабилитроны

    Основное их назначение — стабилизация напряжения. Его значение указывается на корпусе или в справочных материалах. Они изготавливаются на напряжения от 1,8  до 400 В. Если последовательно соединить два стабилитрона — напряжения их стабилизации суммируются (1.8+6.2=8В).

    параметры некоторых стабилитронов

    Простейший стабилизатор напряжения состоит из стабилитрона и резистора. Его основной недостаток — маленький ток на выходе. Он зависит от используемого стабилитрона (указывается в справочных материалах).

    схема простейшего стабилизатора на стабилитроне спаян простейший стабилизатор

    Расчет сопротивления резистора можно выполнить в Android приложении «Электрические расчеты» или по формулам:

    • Вычисление напряжения, падающего на балластном резисторе: Ur=Uвx-Uвыx  (12-6.2=5.8 В)
    • Определение сопротивления резистора: R=Ur/Iст (берется из справочных материалов) ( 5.8/0.01=580 Ом)
    • Вычисление минимальной мощности резистора: Рr=Ur*Iст (5.8*0.01=0.58 Вт). Нужно учитывать, что кроме тока стабилитрона через резистор протекает еще и ток нагрузки —  мощность резистора выбирают в два раза больше.

    Почему-то результаты разнятся.

    расчет в приложении

    Чтобы изготовить стабилизатор на больший ток, в схему добавляют транзистор. В таком случае максимальный ток схемы будет зависеть от используемого транзистора и его охлаждения. Но точного напряжения не получится. Оно будет ниже за счет падения на P-N переходе.

    схема стабилизатора спаян стабилизатор со стабилитроном и транзистором

    Помимо стабилазатора, можно спаять из транзистора и стабилитрона схему, отключающую нагрузку когда напряжение на входе будет меньше, чем указана на стабилитроне.

    отключалка нагрузки спаяна отключалка нагрузки

    Спасибо за внимание!

    Дифференциальное сопротивление

    Для резисторов и других двухполюсных пассивных электрических компонентов, для которых напряжение не зависит от времени, U {\ displaystyle U} из-за силы тока, указываемой I {\ displaystyle I}, электрическое сопротивление физической величины определяется как отношение напряжения к силе тока. Кроме того, дифференциальное сопротивление равно , определяемому как изменение напряжения по отношению к соответствующему (дифференциально) небольшому изменению силы тока. [1] [2] Эти компоненты имеют характеристику, которая в декартовом UI {\ displaystyle UI} — система координат проходит через нулевую точку. В идеализации омического сопротивления эта характеристическая кривая представляет собой прямую линию, а электрическое сопротивление является постоянной величиной, применимой к любой силе тока. Для других пассивных компонентов сопротивление и дифференциальное сопротивление могут быть разными в каждой точке характеристической кривой.

    Двухполюсные компоненты, характеристики которых не проходят через нулевую точку, являются источниками энергии.Их поведение обычно описывается с помощью эквивалентной схемы, состоящей из идеального источника тока или напряжения и пассивных компонентов с их свойствами.

    Дифференциальное сопротивление можно измерить или рассчитать на основе построения характеристической кривой в требуемой точке. Он используется для описания поведения компонентов при слабом сигнале.

    Качественное сравнение характеристик разных компонентов

    Линейное сопротивление

    Для некоторых материалов, таких как металлы, хорошее приближение заключается в том, что при увеличении напряжения в какой-либо раз в α сила тока увеличивается в такой же коэффициент α .Тогда частное составит

    UI = R = cOnst {\ displaystyle {\ frac {U} {I}} = R = \ mathrm {const}}

    одинаково для всех точек измерения и называется линейным сопротивлением R { \ Displaystyle R}. В этом случае нет разницы между сопротивлением и дифференциальным сопротивлением. Если уравнение применимо к любым мгновенным значениям, частное также называется омическим сопротивлением .

    Нелинейное сопротивление

    В рабочей точке A, с выбранными здесь осями координат,
    — сопротивление соответствует градиенту прямой, проходящей через начало координат через эту точку,
    — дифференциальное сопротивление соответствует градиенту касательной в этой точке .

    В случае нелинейной вольт-амперной характеристики коэффициент равен U / I {\ displaystyle U / I} для пары значений напряжения-тока, различающейся в каждой точке, поэтому указать невозможно. единственное значение . В подобласти, в которой характеристическая кривая проходит приблизительно по прямой линии, коэффициент становится ΔU / ΔI {\ displaystyle \ Delta U / \ Delta I}, который формируется из небольших изменений в значений, почти одинаковых на каждом точка; таким образом, это может быть указано для площади.Это частное в выбранной «рабочей точке» A характеристической кривой представляет собой дифференциальное сопротивление для диапазона. Это показано на диаграмме напротив наклона касательной.

    Вблизи этой точки поведение компонента часто можно описать его эквивалентной схемой слабого сигнала с линейными компонентами. Если постоянный ток накладывается на небольшой переменный ток (или эквивалент: постоянное напряжение накладывается на небольшое переменное напряжение), дифференциальное сопротивление для переменных величин также называется Сопротивление переменному току обозначается [3] или динамическим. сопротивление . [4] Сопротивление, показанное прямой линией, проходящей через начало координат, также называется DC сопротивлением или статическим сопротивлением . [5] [6]

    Расчет дифференциального сопротивления

    Может быть функцией U = f (I) {\ displaystyle U = f (I)}, дифференциальное сопротивление r {\ displaystyle r} может быть вычисляется с помощью дифференциального частного:

    r = dUdI {\ displaystyle r = {\ frac {\ mathrm {d} U} {\ mathrm {d} I}}}

    Например, если уравнение Шокли применяется к диод, когда он работает в прямом направлении, его сопротивление переменному току можно рассчитать по следующей формуле: r = nUTI {\ displaystyle r = {\ frac {n \, U _ {\ mathrm {T}}} {I}}}, где величины в числителе являются константами.Поскольку обычно такой функциональной связи нет, r {\ displaystyle r} только на основании различий между соседними парами измеренных значений U1, I1 {\ displaystyle U_ {1}, \; I_ {1}} и U2, I2 {\ displaystyle U_ {2}, \; I_ {2}}:

    r≈ΔUΔI = U2 − U1I2 − I1 {\ displaystyle r \ приблизительно {\ frac {\ Delta U} {\ Delta I}} = {\ frac {U_ {2} -U_ {1}} {I_ {2} -I_ {1}}}}

    При выборе пар измеренных значений обратите внимание:

    • Если расстояние между ними слишком велико, не вычисляется подъем касательной, а подъем секущей.
    • Если расстояние между ними слишком мало, неизбежные отклонения в измерениях вызывают нереалистичные колебания соседних частных. Невозможно создать предельное значение с дискретными измеренными значениями.

    Экспериментальное определение показано на примере стабилитрона:

    • При силе тока I1 = 8mA {\ displaystyle I_ {1} = 8 \; \ mathrm {mA}} через стабилитрон может U1 = 5,96V {\ displaystyle U_ {1} = 5 {,} 96 \; \ mathrm {V}} измеряется между соединениями.
    • При силе тока I2 = 32 мА {\ displaystyle I_ {2} = 32 \; \ mathrm {mA}} через стабилитрон может U2 = 6,08 В {\ displaystyle U_ {2} = 6 {,} 08 \; \ mathrm {V}} быть измеренным.

    Отсюда вы можете рассчитать r = 120 мВ 24 мА = 5 Ом {\ displaystyle r = \ mathrm {\ frac {120 \; mV} {24 \; mA}} = 5 \; \ Omega} — значение, которое значительно ниже чем частное каждой пары измеренных значений. Это низкое дифференциальное сопротивление объясняет, почему стабилитроны используются для стабилизации напряжения: хотя сила тока увеличивается в четыре раза, напряжение изменяется только на 2%.{2} / R} (слишком маленькое) дифференциальное сопротивление не используется; скорее, это делается с ожидаемым средним сопротивлением постоянному току R≈U / I¯ {\ displaystyle R \ приблизительно U / {\ overline {I \,}}}.

    Положительное дифференциальное сопротивление

    При положительных дифференциальных сопротивлениях сила тока увеличивается с увеличением напряжения. Большинство элементов схемотехники имеют исключительно положительное дифференциальное сопротивление. Например, это также включает термисторы, неспециализированные диоды в смысле pn перехода и npn-транзисторы в поле выходной характеристики с постоянным контролем. [1] [7]

    Отрицательное дифференциальное сопротивление

    Вольт-амперные характеристики туннельного диода Характеристика лампы накаливания; уменьшающаяся область между A и B

    Дифференциальное сопротивление может быть отрицательным на части характеристической кривой, так что сила тока уменьшается с увеличением напряжения или сила тока увеличивается с уменьшением напряжения. На рисунке для туннельного диода это находится в области UP

    Если лампа накаливания работает таким образом, что напряжение возрастает от нуля и превышает «точку переключения» A, в которой начинается отрицательное дифференциальное сопротивление, переключение в другое состояние B происходит очень быстро. Если ток не ограничен, компонент будет уничтожен. По этой причине газоразрядные трубки всегда должны работать с последовательным резистором.

    Время переключения определяется внутренней емкостью и типом носителя заряда:

    • При газовом разряде относительно тяжелые ионы должны перемещаться на несколько миллиметров, поэтому время переключения находится в диапазоне 10 -6 с.
    • В туннельном диоде гораздо более легкие электроны перемещаются только на несколько микрометров над барьерными слоями, поэтому время переключения находится в диапазоне 10 −11 с.

    В случае компонентов с частично падающими характеристиками различают два основных типа, в зависимости от их формы и, следовательно, их поведения стабильности, которые оказывают значительное влияние на внешние схемы: [8]

    • Тип дуги имеет S-образную форму.Поскольку определенное напряжение четко назначается току, его еще называют регулируемым по току или стабильным на холостом ходу. Они возникают, например, при электрической дуге и тлеющих разрядах.
    • Dynatron-type имеет N-образную форму. Поскольку определенный ток четко соответствует напряжению, их еще называют управляемыми напряжением или защищенными от короткого замыкания. Они возникают, например, с Dynatron и туннельным диодом.

    Приложения

    Динамика выпрямленного сглаженного переменного напряжения Делитель напряжения с соотношением U2 / U {\ displaystyle U_ {2} / U}
    • Если переменное напряжение выпрямляется и сглаживается конденсатором, постоянное напряжение, показанное справа, создается с наложенным меньшим переменным напряжением (остаточная пульсация).В делителе напряжения, показанном ниже, R2 {\ displaystyle R_ {2}} заменен этим стабилитроном и установлен R1 = 1kΩ {\ displaystyle R_ {1} = 1 \, \ mathrm {k} \ Omega}. Тогда делитель напряжения постоянного тока ведет себя как RR + R1 = 0,53 {\ displaystyle {\ frac {R} {R + R_ {1}}} = 0 {,} 53}, а для переменного напряжения — как rr + R1 = 0,015 {\ displaystyle {\ frac {r} {r + R_ {1}}} = 0 {,} 015}, при этом составляющая переменного напряжения делится более резко, чем составляющая постоянного напряжения, в соотношении примерно 1:35. Это служит дальнейшему сглаживанию.
    • Если частота достаточно высока, pin-диоды могут использоваться в качестве резисторов постоянного тока, управляемых постоянным током, с коротким временем отклика.
      • В обратном направлении только очень низкая емкость перехода около 1 пФ позволяет проходить небольшому переменному току.
      • В прямом направлении наложенный переменный ток лишь слегка ослабляется низким дифференциальным сопротивлением , составляющим около 1 Ом.
      • Если прямой ток уменьшается, pin-диод действует как переменный резистор, с помощью которого можно построить регулируемые аттенюаторы.Франц-Генрих Ланге: Сигналы и системы . лента 2. Verlag Technik, Berlin 1968.
      • Каково внутреннее сопротивление стабилитрона? — Sluiceartfair.com

        Какое внутреннее сопротивление у стабилитрона?

        У стабилитрона есть внутреннее сопротивление, которое можно представить как последовательный резистор внутри диода. Это динамическое сопротивление — оно меняется в зависимости от тока, температуры и т. Д. Мощность. Помните, что стабилитрон будет нагреваться в зависимости от рассеиваемой мощности, как, скажем, линейный регулятор напряжения!

        Что такое дифференциальное сопротивление в стабилитроне?

        Для этого диода напряжение стабилитрона указано на уровне 20 мА, поэтому кривая намного круче (больше dIdV), а сопротивление при этом токе составляет «всего» 29 Ом.Это означает, что разница в 1 мА приведет к изменению напряжения на 29 мВ.

        Как рассчитывается импеданс стабилитрона?

        Сопротивление стабилитрона или импеданс стабилитрона — это эквивалентное последовательное сопротивление стабилитрона, когда он проводит ток, и представлено как Rz = Vz / Iz или zener_resistance = напряжение стабилитрона / ток стабилитрона.

        Постоянно ли сопротивление стабилитрона?

        Сопротивление стабилитрона постоянно.

        Что такое импеданс стабилитрона?

        Импеданс стабилитрона эквивалентен последовательному сопротивлению стабилитрона, когда он проводит ток.Он рассчитывается как изменение напряжения стабилитрона ΔVZ, которое происходит в результате небольшого изменения тока стабилитрона ΔIZ. Таким образом, стабилитрон действует как таковой только в ограниченном диапазоне токов.

        Какие бывают типы стабилитронов?

        Как работает стабилитрон? Принцип работы стабилитрона определяется причиной его пробоя в условиях обратного смещения. Обычно бывает два типа — стабилитрон и лавинный.

        Почему стабилитроны сильно легированы?

        Стабилитрон сильно легирован для уменьшения напряжения пробоя.Это вызывает очень тонкую область истощения. В результате внутри обедненной области существует сильное электрическое поле.

        Чем стабилитрон отличается от обычного диода?

        , тогда как стабилитрон допускает проводимость в обоих направлениях.

        а
      • стабилитрон не будет.
      • Количество легирования для полупроводниковых слоев P и N в этих двух устройствах различается.

        Каковы ВАХ стабилитрона?

        Добро пожаловать

      • Md.Муджахидуззаман
      • Стабилитрон
      • — это особый вид диодов, которые пропускают ток в прямом направлении.
      • , но он также позволяет току течь в обратном направлении.
      • Термин «регулятор» означает «регулирующий или контролирующий».

        Как определить стабилитроны?

        Стабилитроны

        могут иметь темный пластиковый корпус с темной полосой такой же окраски, как и у других диодов. Многие другие стабилитроны окрашены в медный цвет и заключены в стеклянный корпус с белой, черной или синей полосой.Третьи могут иметь металлические кожухи.

      • Отрицательное дифференциальное сопротивление — обзор

        9.4 РЕЗОНАНСНЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

        В предыдущих разделах было показано, что электроны в гетеропереходах и квантовых ямах могут реагировать с очень высокой подвижностью на приложенные электрические поля, параллельные интерфейсам. В этом разделе будет рассмотрен отклик на электрическое поле, перпендикулярное потенциальным барьерам на границах раздела.При определенных обстоятельствах электроны могут туннелировать через эти потенциальные барьеры, составляя так называемый перпендикулярный транспорт (раздел 6.3). Туннельные токи через гетероструктуры могут показывать зоны отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) , которые возникают, когда уровень тока уменьшается для увеличения напряжения. Эффект NDR был впервые обнаружен Эсаки при изучении туннельных диодов с p − ​​n-переходом в 1957 г. и, вместе с Tsu, в 1970-х годах предположил, что этот эффект также будет наблюдаться в токе через квантовые ямы.Однако только в середине 1980-х годов экспериментальные системы осаждения для выращивания гетероструктур позволили стандартное изготовление устройств с квантовыми ямами, основанных на эффектах NDR.

        Работа электронных устройств с квантовыми ямами NDR основана на так называемом резонансном туннельном эффекте (RTE) , который имеет место, когда ток проходит через структуру, образованную двумя тонкими барьерами с квантовой ямой между ними. Характеристики I – V устройств RTE в некоторой степени аналогичны характеристикам туннельного диода Esaki.На рисунке 9.5 (а) показано изображение зоны проводимости двойного гетероперехода с квантовой ямой между переходами. Толщина квантовой ямы должна быть достаточно маленькой (5–10 нм), чтобы иметь только один разрешенный уровень энергии электронов E 1 (резонансный уровень). Область ямы сделана из слаболегированного GaAs, окруженного более высокозонным AlGaAs. Внешние слои изготовлены из сильно легированного GaAs n-типа (n + GaAs) для облегчения электрических контактов.Уровень Ферми GaAs n + представлен внутри зоны проводимости, поскольку его можно рассматривать как вырожденный полупроводник (раздел 3.6).

        Рисунок 9.5. Схематическое изображение зоны проводимости резонансного туннельного диода: (а) без приложенного напряжения; (b), (c) и (d) для увеличения приложенного напряжения; (д) вольт-амперная характеристика.

        Предположим, что приложено внешнее напряжение В , начиная с 0 В. Можно ожидать, что некоторые электроны туннелируют из зоны проводимости n + GaAs через потенциальный барьер, что приводит к увеличению тока для возрастающее напряжение (область 1-2 на кривой I – V около 0 В).При увеличении напряжения энергия электронов в n + GaAs увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто значение 2 E 1 / e , при котором энергия электронов, находящихся в окрестности уровня Ферми, совпадает с энергией уровня E 1 электронов в яме (рисунок 9.5 (б)). В этом случае возникает резонанс, и коэффициент прохождения кванта через барьеры очень резко возрастает. Фактически, когда достигается состояние резонанса, электронная волна, соответствующая электронам в яме, когерентно отражается между двумя барьерами (это аналогично оптическому эффекту, производимому в резонаторах Фабри – Перо).В этом случае электронная волна, падающая слева, возбуждает резонансный уровень электрона в яме, таким образом увеличивая коэффициент прохождения (и, следовательно, ток) через потенциальный барьер (область 2 на ВАХ ). В этом состоянии эффект сравним с электронами, падающими слева, которые захватываются ямой и высвобождаются через второй барьер. При дальнейшем увеличении напряжения (рисунок 9.5 (c)) резонансный уровень энергии ямы расположен ниже уровня Ферми катодного вывода и ток уменьшается (область 3), что приводит к так называемому отрицательному дифференциальному сопротивлению (NDR ) регион (регион 2–3).Наконец, для еще более высоких приложенных напряжений, рис. 9.5 (d), ток снова возрастает из-за термо-ионной эмиссии над барьером (область 4).

        Коммерческие резонансные туннельные диоды (RTD) , используемые в микроволновых приложениях, основаны на этом эффекте. Показателем качества, используемым для RTD, является отношение максимального тока (PVCR) их ВАХ , определяемое соотношением между максимальным током (точка 2) и минимальным током в впадине. (пункт 3).Хотя нормальные значения добротности составляют около пяти для структур AlGaAs – GaAs при комнатной температуре, значения до 10 могут быть достигнуты в устройствах, изготовленных из напряженных слоев InAs, окруженных барьерами AlAs и работающих при температуре жидкого азота.

        Если RTD моделируются отрицательным сопротивлением параллельно с емкостью диода C и последовательным сопротивлением R S , как в случае обычных диодов, относительно легко продемонстрировать, что максимальная рабочая частота увеличивается поскольку C уменьшается.Резонансный туннельный диод изготовлен из относительно низколегированных полупроводников, что приводит к широким областям обеднения между барьерами и областью коллектора и, соответственно, к малой эквивалентной емкости. По этой причине RTD могут работать на частотах до нескольких терагерц (ТГц), что намного выше, чем у туннельных диодов Esaki, которые достигают частоты около 100 ГГц, с временем отклика менее 10 −13 с. Небольшие значения отрицательного дифференциального сопротивления, то есть резкое падение после максимума кривой I – V , приводят к высоким частотам отсечки срабатывания.Фактически, RTD — единственные чисто электронные устройства, которые могут работать на частотах, близких к 1 ТГц, что является самым высоким показателем для любого устройства времени прохождения электронов.

        В общем смысле мощность, передаваемая от RTD к внешней нагрузке, мала, и выходное сопротивление также относительно невелико. По этой причине их иногда сложно адаптировать к выходу волноводов или антенн. Выходной сигнал обычно маломощный (несколько милливатт), поскольку выходное напряжение обычно ниже 0.3 В из-за значений высоты барьеров и уровней энергии в квантовых ямах. RTD использовались для демонстрации схем для множества приложений, включая статические запоминающие устройства с произвольным доступом (SRAM), генераторы импульсов, многозначную память, многозначную и самоблокирующуюся логику, аналого-цифровые преобразователи, элементы генератора, регистры сдвига, малошумящее усиление, МОБИЛЬНАЯ логика, умножение частоты, нейронные сети и нечеткая логика. В частности, для логических приложений требуются значения PVCR, равные 3 или выше, и высокое значение пиковой плотности тока, J p .В случае приложений памяти идеальным PVCR является 3, и значения J p из нескольких Acm −2 являются более подходящими. Для высокочастотных генераторов всегда требуется высокий уровень J p с PVCR более 2. В таблице 9.1 показано сравнение характеристик устройства для различных систем материалов.

        Таблица 9.1. Сравнение RTD из различных систем материалов. J p — пиковая плотность тока, PVCR — отношение максимального тока к минимуму, ΔIΔV, — максимальная доступная мощность (при 100% КПД) в области NDR; и R D отрицательное сопротивление диода в области NDR.

        9389 Площадь 2 (2) )
        Материал InGaAs InAs Si / SiGe GaAs Si Esaki
        J p 282 250 151
        PVCR 4 3,2 2,4 1,8 2,0
        ΔIΔV 5.4 9,4 43,0 4,0 1,1
        R D (Ом) 1,5 14,0 12,5 31,8 79,5 16 1 25 5 2,2

        По материалам Paul, DJ (2004) Semicond. Sci. Technol., 19, R75 – R108.

        Авторские права © 2004

        2.5: Другие типы диодов

        Диоды были разработаны для использования различных аспектов PN-переходов. Помимо основного использования в качестве переключающего или выпрямительного устройства, доступны диоды для регулирования напряжения, переменной емкости, освещения и светочувствительности. Условные обозначения для ряда популярных типов диодов показаны на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Обратите внимание на сходство символов. Часть «полоса» представляет собой катод для всех из них.

        Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Условные обозначения диодов: а) переключающий или выпрямляющий б) стабилитрон в) Шоттки г) варактор д) светодиод е) фотодиод

        2.5.1: Стабилитрон

        Стабилитрон ведет себя как обычный сигнальный диод при прямом смещении. Однако обычно стабилитроны используются в условиях обратного смещения. Из нашего предыдущего обсуждения напомним, что если обратный потенциал достаточно высок, диод может выйти из строя, что приведет к быстрому увеличению тока. Это было вызвано одним из двух эффектов: зинеровской проводимостью или лавиной. Стабилитрон использует это для получения стабильного напряжения 1 . Стабилитроны определяются их обратным потенциалом (обычно называемым «напряжением стабилитрона») и предназначены для работы с большими токами и мощностями, чем диод среднего сигнала.Напряжение стабилитрона стандартизировано почти так же, как и резисторы, поэтому следует ожидать таких значений, как 3,9 В, 5,1 В и 6,8 В. Напряжение стабилитрона измеряется при \ (I_ {ZT} \) испытательном токе стабилитрона. Более низкий ток может не полностью подтолкнуть диод к проводимости, что приведет к более низкому, чем ожидалось, потенциалу диода.

        Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): условное обозначение стабилитрона.

        Вместо моделирования стабилитрона как разомкнутого переключателя при обратном смещении, мы моделируем его как разомкнутый, когда его напряжение меньше номинального напряжения, и как источник напряжения, равного номинальному значению, если его напряжение пытается превысить это значение. .При анализе схем на основе стабилитронов первое, что нужно сделать, это определить, смещен ли диод в прямом направлении. Если это так, то относитесь к нему как к обычному переключающему диоду. Если, с другой стороны, он имеет обратное смещение, относитесь к нему как к разомкнутому переключателю. Если результирующее напряжение на диоде больше, чем напряжение стабилитрона, пересчитайте схему, но на этот раз мысленно замените стабилитрон источником напряжения, равным напряжению стабилитрона. Наш следующий пример проиллюстрирует этот метод.

        Пример \ (\ PageIndex {1} \)

        Определите циркулирующий ток для цепи, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Также найдите напряжения диода и резистора. Предположим, что источник питания — 9 вольт, напряжение стабилитрона — 5,1 вольт, а сопротивление резистора — 3,3 кОм (\ Omega \).

        Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {1} \).

        Диод с обратным смещением. Если мы будем рассматривать его как разомкнутый, тогда все напряжение источника упадет, или 9 вольт. Это больше, чем потенциал стабилитрона, поэтому устройство должно находиться в стабилитроне. Это означает, что обычный ток будет относительно легко течь по часовой стрелке.Напряжение на диоде будет равно номинальному значению 5,1 вольт, от + до — от катода к аноду. По КВЛ падение резистора должно быть 9 В — 5,1 В, или 3,9 Вольт.

        \ [I = \ frac {E − V_ {Zener}} {R} \ nonumber \]

        \ [I = \ frac {9V − 5.1V} {3.3k \ Omega} \ nonumber \]

        \ [I = 1,182 мА \ nonumber \]

        Если ориентация диода перевернута, то он будет смещен в прямом направлении и покажет ожидаемые 0,7 В при 8,3 В на резисторе.

        Компьютерное моделирование

        Схема стабилитрона смоделирована, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \).

        Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Моделирование схемы стабилитрона.

        Без стабилитрона два резистора просто разделили бы напряжение питания поровну, получая на каждый по 5 вольт. Если бы использовался обычный диод, он был бы с обратным смещением и работал бы как открытый. Результирующие напряжения будут такими же. В этом случае, однако, стабилитрон активируется при напряжении 3,6 вольт (обычно напряжение стабилитрона включается как часть номера модели с буквой «V», заменяющей десятичную точку, когда это необходимо).Следовательно, мы видим примерно 3,6 В на стабилитроне и параллельном втором резисторе (узел 3 — земля). Точное значение напряжения будет зависеть от величины тока диода. Если моделирование повторно запускается с источником более высокого напряжения, увеличенный ток приведет к немного более высокому напряжению в узле 3. Это связано с тем, что кривая пробоя не будет бесконечно крутой, когда она пройдет за номинальное напряжение стабилитрона. Эффект аналогичен эффекту \ (R_ {bulk} \) в диоде с прямым смещением. В технических данных это значение называется дифференциальным сопротивлением или \ (R_ {dif} \).

        Отличное применение стабилитрона — ограничение или регулировка напряжения. Когда стабилитрон размещается параллельно с другими компонентами, мы можем гарантировать, что эти компоненты не будут видеть потенциал выше номинального напряжения стабилитрона. Мы более подробно рассмотрим это в следующей главе.

        2.5.2: светоизлучающий диод (LED) и фотодиод

        Светоизлучающий диод (LED) и фотодиод дополняют друг друга. В то время как светодиод излучает свет с помощью электрического входа, фотодиод вырабатывает ток при воздействии света.Оба устройства могут работать в видимом для человека спектре, а также могут быть разработаны для работы на длинах волн за пределами этого диапазона, в инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Фактически, большинство пультов дистанционного управления телевизорами используют пары ИК-излучатель / детектор для связи 2 .

        Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): схематический символ светодиода (LED).

        Светодиод вытеснил традиционные источники света накаливания (на основе нити накала) во многих приложениях из-за его высокой эффективности в превращении подводимой электрической энергии в светоотдачу.Они небольшие, физически прочные, работают относительно прохладно и доступны в различных цветах. Схематический символ показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Основная идея его работы довольно проста. В смещенном вперед PN-переходе, когда свободные электроны рекомбинируют и «падают» в валентные дырки с более низкой энергией, они должны каким-то образом отказаться от этой разницы в энергии. В большинстве диодов эта энергия выделяется в виде тепла. В светодиодах энергетический переход спроектирован таким образом, что он излучается на более коротких длинах волн (т.е.е., видимый свет). Для этого в светодиодах используется не только кремний, как в типичном переключающем диоде. Вместо этого используются несколько более экзотические материалы. С точки зрения анализа или проектирования важно помнить, что прямое напряжение, как правило, заметно выше, чем падение напряжения на кремнии на 0,7 В. Точное значение будет зависеть от материала, который, в свою очередь, влияет на цвет. Обычный красный светодиод, вероятно, покажет прямое падение около 1,8 вольт или около того. Другие цвета, как правило, несколько выше, когда мы движемся по радуге, заканчивая синими и ультрафиолетовыми светодиодами (а также версиями с высокой яркостью) примерно от 3 до 4 вольт.В лаборатории легко определить приблизительное прямое падение данного диода, подключив его последовательно с источником напряжения и токоограничивающим резистором. Подача увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута желаемая яркость, а затем падение на диоде можно измерить с помощью цифрового мультиметра. При обратном смещении светодиод ведет себя как переключающий диод, то есть выглядит как разомкнутый переключатель. В отличие от переключающих и выпрямительных диодов, максимальные обратные потенциалы светодиодов имеют тенденцию быть относительно низкими, возможно, всего несколько вольт.

        Таблица данных для светодиода серии Cree C566D представлена ​​на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).Обратите внимание, что цвета указаны в единицах длины волны (в нанометрах), а сила света (яркость) дана в милликанделлах (мкд).

        Рисунок \ (\ PageIndex {6a} \): техническое описание светодиодов. Предоставлено Cree, Inc.

        Эти устройства соответствуют требованиям RoHS, что означает ограничение использования опасных веществ. Это директива ЕС, ограничивающая использование токсичных материалов, таких как свинец, кадмий и ртуть. Продолжая, находим максимальные оценки устройства:

        Рисунок \ (\ PageIndex {6b} \): техническое описание светодиодов (продолжение).

        Обратите внимание на разные значения цветов. Прямой ток определен как 50 мА для красного / желтого и 35 мА для зеленого / синего. Номинальные рабочие токи от 10 до 30 мА. Обратное напряжение составляет 5 вольт, что типично для многих светодиодов, хотя и намного ниже среднего переключающего диода. Прямое напряжение обычно составляет 2,1 В для красного конца спектра и, как и ожидалось, 3,4 В для зеленого / синего конца. Ожидаемая сила света также зависит от цвета. Кроме того, следует отметить, что светодиоды не излучают «чистый цветной» свет, как лазер.Скорее, они производят диапазон длин волн, сгруппированных в определенной области. Длина волны, обеспечивающая максимальный выходной сигнал в этой области, называется максимальной или доминирующей длиной волны. Человеческое зрение охватывает диапазон примерно от 400 нанометров (фиолетовый) до 700 нанометров (красный) 3 .

        Рисунок \ (\ PageIndex {6c} \): техническое описание светодиодов (продолжение).

        На рисунке \ (\ PageIndex {6c} \) представлены соответствующие графические данные. Мы наблюдаем примерно линейное увеличение силы света с увеличением тока.Также обратите внимание на разницу в графиках обратного напряжения / тока между синим / зеленым и красным / желтым. Особый интерес представляет окончательный график, который показывает диаграмму направленности или угол пучка. Вы можете думать об этом с точки зрения того, насколько узким или широким является узор освещения. При сравнении светодиодов разных моделей полезно помнить, что яркость по оси можно увеличить за счет сужения угла. Этот график разделен пополам с использованием двух разных способов отображения данных. С левой стороны у нас есть линейный график, показывающий относительную яркость при отклонении от центральной оси (ноль градусов).Справа мы видим полярную версию тех же данных.

        Пример \ (\ PageIndex {2} \)

        Определите циркулирующий ток для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Предположим, что источник питания 5 вольт, прямое напряжение светодиода 2,1 вольт, а сопротивление резистора 330 \ (\ Omega \).

        Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).

        Светодиод с прямым смещением, и, поскольку источник больше потенциала светодиода, он должен гореть.Используя KVL,

        \ [I = \ frac {E − V_ {LED}} {R} \ nonumber \]

        \ [I = \ frac {5V − 2.1V} {330 \ Omega} \ nonumber \]

        \ [I = 8,788 мА \ nonumber \]

        Это должно привести к относительно яркому светодиоду. Резистор можно использовать для эффективного программирования яркости путем изменения уровня тока (меньшее сопротивление дает больший ток и, следовательно, более яркий светодиод). Учитывая прямой потенциал 2,1 В, вероятно, что это желтый или желтый светодиод. Если использовался другой цвет, скажите 1.6 вольт красный или 3,2 вольт синий, будет изменение тока и, скорее всего, изменение яркости. Изменение яркости может не полностью отражать изменение тока, поскольку эффективность преобразования для двух диодов может быть разной (см. Рисунок \ (\ PageIndex {7b} \) для сравнения силы света при 20 мА для разных длин волн) .

        Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): приложение с двумя светодиодами.

        Интересная схема, использующая два светодиода разного цвета, показана на рисунке \ (\ PageIndex {8} \).Источник переменного тока используется для управления светодиодами. Только один из двух будет смещен вперед в любой момент времени. Для положительного напряжения источника \ (D_1 \) будет включен, а \ (D_2 \) выключен. Для отрицательного напряжения источника верно обратное. Резистор \ (R \) служит для ограничения тока для них обоих. Предположим, что \ (D_1 \) красный, а \ (D_2 \) синий. Кроме того, предположим, что частота источника относительно низкая, скажем, 1 Гц. В течение положительного полупериода (0,5 секунды) загорается красный светодиод, а для отрицательного полупериода — синий светодиод.Этот чередующийся паттерн продолжается до тех пор, пока используется источник, но при увеличении частоты происходит любопытная вещь. Сначала частота мигания будет увеличиваться, красный и синий будут мигать вперед и назад все быстрее и быстрее. В какой-то момент, возможно, около 30 герц или около того, будет казаться, что оба светодиода горят непрерывно. Это потому, что человеческое зрение будет стремиться интегрировать быстрое движение, и мы эффективно видим «среднюю» интенсивность. Фактически, этот трюк с «включением-выключением» часто используется в цифровых схемах для управления яркостью светодиодов или скоростью двигателей.Двухцветные светодиоды выпускаются в единой упаковке. Используя общий провод и два контрольных провода (по одному для каждого цвета), можно добиться смешивания цветов.

        Логическая инверсия светодиода — фотодиод, схематический символ которого показан на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Фотодиод включает в себя порт, позволяющий свету попадать на переход. Достаточно энергичный фотон света может сбить с толку и потерять электрон. Это создает пару электрон-дырка, которая приводит к протеканию тока.По мере того как в систему добавляется больше световой энергии, увеличивающийся ток или напряжение приведет к 4 .

        Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): условное обозначение фотодиода.

        Фотодиоды

        могут работать в одном из двух режимов. Первый режим — фотоэлектрический. Он использует нулевое смещение (то есть отсутствие внешнего потенциала смещения). В этом режиме фотодиод работает как источник напряжения. Это режим, используемый фотоэлектрическими солнечными элементами. Их можно рассматривать как очень большие фотодиоды.Второй режим работы — это режим фотопроводимости. Этот режим требует обратного смещения диода внешним потенциалом. В этом режиме диод больше похож на источник тока. Преимущество в том, что отклик происходит быстрее, чем в фотоэлектрическом режиме. Обратной стороной является то, что шум и темновой ток хуже. Темновой ток — это ток, который вырабатывается даже тогда, когда на фотодиод не светит. В идеале это будет ноль. Большой темновой ток снижает эффективный динамический диапазон устройства.

        2.5.3: Диоды Шоттки и варакторные диоды

        Диод Шоттки — это устройство специального назначения. Он назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В отличие от других диодов, в которых используется переход полупроводник-полупроводник, диод Шоттки состоит из контакта полупроводник-металл. Диод Шоттки имеет два основных преимущества перед традиционными диодами. Во-первых, у них очень быстрое время переключения, возможно, на порядки улучшения. Во-вторых, они имеют относительно низкое напряжение включения.Вместо 0,6–0,7 вольт, наблюдаемых у кремниевого диода на переходе, диод Шоттки может включаться при напряжении всего 0,2 или 0,3 вольт. Следовательно, диоды Шоттки используются, когда важна очень высокая скорость переключения и / или минимизация прямых падений напряжения. Примеры включают шунтирующие диоды в импульсных источниках питания и схемах радиочастотных детекторов. Его схематический символ показан на рисунке \ (\ PageIndex {10} \).

        Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): условное обозначение диода Шоттки.

        Варакторный диод — еще одно устройство специального назначения.Его схематический символ показан на рисунке \ (\ PageIndex {11} \). Он используется как электрически управляемая емкость (обратите внимание, что схематический символ представляет собой гибрид обычных символов диода и конденсатора).

        Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Условное обозначение варакторного диода.

        Варакторы используются в режиме обратного смещения. Ключ к пониманию их работы — рассмотреть структуру диода, сравнив ее с конструкцией конденсатора. Считайте обедненную область диэлектриком конденсатора, при этом анод и катод являются пластинами конденсатора.Следовательно, все переходные диоды обладают некоторой емкостью. Обычно дизайнеры стараются минимизировать этот эффект, но его используют варакторы. Как отмечалось в нашем предыдущем обсуждении, увеличение потенциала обратного смещения на диоде приводит к расширению его обедненной области. При прочих равных, увеличение расстояния между пластинами конденсатора снижает его емкость. Таким образом, увеличивая потенциал обратного смещения, мы увеличиваем эффективное расстояние между пластинами и уменьшаем емкость диодного перехода. Теперь у нас есть емкость, значение которой определяется напряжением смещения постоянного тока.Эта емкость может использоваться как часть электронных схем настройки для таких приложений, как генераторы и фильтры. По сравнению с конденсаторами постоянной емкости значения, как правило, невелики, от десятков до сотен пикофарад, но этого достаточно для многих радиочастотных работ. Преимущества перед механически регулируемыми конденсаторами многочисленны, включая небольшой размер, высокую надежность, низкую стоимость и возможность быстрого изменения емкости 5 .

        Список литературы

        1 Хотя они и называются стабилитронами, в зависимости от величины напряжения они используют либо стабилитрон, либо лавинный эффект.

        2 Использование инфракрасного излучения по сравнению с видимым спектром для этого приложения дает преимущества. Он, как правило, менее чувствителен к условиям освещения в помещении, и от пульта дистанционного управления отсутствуют потенциально раздражающие видимые вспышки света.

        3 Интересно отметить, что зрительная система человека работает в частотном диапазоне менее 2: 1, в то время как слуховая система человека работает в частотном диапазоне около 1000: 1 (от 20 до 20 000 герц).Если бы человеческий слух имел диапазон, эквивалентный нашему зрению, мы бы слышали меньше полной октавы высоты тона. Другими словами, do-re-mi-fa-sol-la-ti-do заканчивалось в ti, и все остальное было бы неслышным. В таком случае одно можно сказать наверняка: фортепианные клавиатуры будут намного короче.

        4 В качестве примечания: в зависимости от конструкции некоторые светодиоды могут использоваться в качестве примитивных фотодиодов. Хотя они не оптимизированы для этого использования, может быть интересно посветить на светодиод и посмотреть, как он вырабатывает напряжение.

        5 Для механической версии потребуется регулируемый конденсатор вращающегося типа, подключенный к небольшому двигателю или соленоиду какой-либо формы для перемещения пластин конденсатора. Хотя это может работать на более низких частотах, если требуются быстрые изменения, возникающее в результате тепло, генерируемое трением, может вызвать возгорание этого устройства. Вообще говоря, мы не хотим, чтобы наши схемы делали это.

        Принцип работы стабилитрона


        В этой статье я объясню принцип работы стабилитрона.В этом я объясняю работу стабилитрона как в прямом, так и в обратном направлении. Я также проиллюстрировал его работу вместе с кривой характеристик V-I.

        Эти специальные диоды при переключении в прямом или прямом направлении работают как обычные кремниевые диоды. Свои особые свойства они проявляют при работе в обратном или обратном направлении. Здесь диоды имеют очень ограниченное напряжение пробоя с резким увеличением тока. Диоды легированы таким образом, что при определенных условиях возможна постоянная работа в области резкого подъема барьерных характеристик без разрушения детали.Эти свойства особенно просты в используемых схемах стабилизации напряжения.
        Прорыв стоп-зоны достигается за счет стабилизации специальным диодным легированием. Это могут быть диоды с пробивным напряжением от 2 до 200 вольт. От определенного обратного напряжения внезапно становится доступно много носителей. Это наблюдение можно объяснить двумя эффектами: эффектом Зинера и лавинным эффектом.

        Эффект Зенера


        В высоколегированных кремниевых диодах напряжение пробоя в выключенной области меньше 5 вольт, обеспечивает эффект Зенера для увеличения тока.В барьерном слое напряженность электрического поля настолько велика, что они создают электронные парные связи, разорванные в ассоциации кристаллической решетки при определенном напряжении. В барьерном слое носители заряда, составляющие эффект Зинера. В этом случае берется электрическая проводимость барьерного слоя и сопротивление дифференциального перехода уменьшается.

        Лавинный эффект


        Для пробивных напряжений выше 6 вольт слаболегированный кремниевый лавинный диод или лавинный эффект приводит к высвобождению носителей заряда в барьерном слое.Носители заряда ускоряются электрическим полем с более высоким напряжением блокировки. При столкновении с электронами связи атомной решетки выбивается больше электронов. Они также ускоряются и могут снова повернуться, высвобождая электроны. Этот процесс ударной ионизации еще называют лавинным эффектом.
        Оба эффекта, стабилитрон и лавинный эффект, перекрываются и разрушают полупроводник, если не соблюдаются определенные ограничения. Операции в барьерном слое обратимы. В зоне пробоя нельзя превышать максимальный ток.Рассчитывается мертвый полупроводник из допустимой потери мощности P. Эти значения определяются способностью отводить тепловую энергию от кристалла.

        На рисунке показаны характеристики некоторых стабилитронов. В полосе пропускания эти диоды ведут себя как обычные кремниевые диоды. В области запирания, где катод является положительным по отношению к аноду, может наблюдаться резкое увеличение тока в зависимости от типа диода от определенного напряжения.
        Диоды, которые включаются за счет эффекта Зенера, имеют более пологую характеристическую кривую и менее резкий изгиб в области напряжения пробоя.В стабилитронах с повышенным напряжением пробоя лавинный эффект есть. Характеристическая кривая более крутая и имеет резкий изгиб на UZ.

        Картина нарисована для диодов, максимальная мощность которых составляет 1 ватт. Рабочий диапазон этого Z-диода находится между I и IZmin Zmax, определяется гиперболой P-tot. Минимальный ток IZ не может быть определен по формулам zmin. Его необходимо считывать с характеристической кривой, или вы можете использовать эталонный тест, который составляет 10% от максимального тока IZmax.

        Дифференциальное сопротивление стабилитрона определяется крутизной характеристики срабатывания в области пробоя.

        Температурная зависимость Z-диода


        Полупроводники являются термисторами и имеют отрицательный температурный коэффициент. Значение его сопротивления уменьшается с повышением температуры, напряжение на компоненте уменьшается. Точно так же стабилизационные диоды, которые используют эффект Зенера. Их температурный коэффициент отрицательный. С повышением температуры напряжение Z уменьшается. Эти диоды имеют высокую степень легирования и, следовательно, очень тонкий барьерный слой.Таким образом, критическая напряженность поля, запускающая эффект Зенера, достигается уже при низком напряжении. Подача энергии за счет повышения температуры способствует разрыву электронных парных связей в кристаллической структуре.
        Z-диоды, в которых лавинный эффект является основной причиной, однако, имеют положительный температурный коэффициент. Они слабо легированы, поэтому их стык шире. Критическая напряженность поля для эффекта Зенера выше. Однако блокирующего напряжения достаточно для ускорения более широкого пограничного слоя некоторых неосновных носителей до такой степени, что они побеждают за счет ударной ионизации более свободные электроны.Этот лавинный эффект вызывает перенос заряда через барьерный слой.

        Повышение температуры увеличивает ненаправленное движение электронов и, следовательно, уменьшает их длину свободного пробега. Это противодействует усилению лавинного эффекта и увеличивает сопротивление барьерного слоя. Следовательно, напряжение стабилитрона увеличивается с увеличением температуры.

        Область перехода двух триггерных эффектов составляет от 5 до 6 вольт. Стабилитроны с напряжениями пробоя, которые в значительной степени не зависят от температуры.У вас также самая крутая характеристическая кривая в рабочем пространстве и, следовательно, наименьшее дифференциальное сопротивление и, следовательно, лучшие свойства стабилизации.


        Метод компенсации сопротивления выводного провода с использованием одиночного стабилитрона для двухпроводных датчиков температуры сопротивления (RTD)

        Abstract

        В системах удаленного измерения сопротивление выводного провода датчика сопротивления вызывает большую ошибку измерения. Для обеспечения точности удаленных измерений предлагается новый метод компенсации сопротивления выводного провода, который подходит для двухпроводного резистивного датчика температуры.Подключив стабилитрон параллельно с резистивным датчиком температуры (RTD) и специально разработанной для него интерфейсной схемой, можно точно измерить значение сопротивления подводящего провода благодаря постоянной характеристике напряжения стабилитрона при обратном пробое. , и, таким образом, может быть произведена компенсация при вычислении сопротивления RTD. Посредством проверки моделирования и практического тестирования схемы, когда сопротивление датчика находится в диапазоне 848–2120 Ом, а сопротивление выводного провода менее 50 Ом, предлагаемая технология может обеспечить погрешность измерения сопротивления датчика в пределах ± 1 Ом и измерение температуры. погрешность в пределах ± 0.3 ° C для RTD с сопротивлением 1000 Ом при 0 ° C. Следовательно, этот метод может точно компенсировать ошибку измерения, вызванную сопротивлением выводного провода в двухпроводных термометрах сопротивления, и подходит для большинства приложений.

        Ключевые слова: RTD, стабилитрон, измерение температуры, подводящий провод

        1. Введение

        Высокоточное измерение температуры предоставляет базовые данные для разработки продуктов и приложений промышленной автоматизации для повышения качества продукции и обеспечения безопасности производства.Благодаря своей превосходной линейности, повторяемости и стабильности измерений [1] в них широко используется резистивный датчик температуры (RTD). Однако при дистанционных измерениях электрическое сопротивление длинных соединительных проводов между RTD и прибором в диспетчерской дает заметную ошибку в измерениях. Эта нежелательная ошибка зависит не только от длины выводных проводов, но и от изменений температуры окружающей среды в местах расположения выводных проводов [2]. Поэтому методы уменьшения или устранения ошибок измерения, вызванных сопротивлением выводных проводов, изучались во многих литературных источниках.

        В настоящее время вышеупомянутая проблема решается путем добавления выводных проводов. Например, в [3,4] отдельно использовались трех- и четырехпроводные методы. Однако стоимость одного дополнительного выводного провода в трехпроводном RTD и двух дополнительных выводных проводов в четырехпроводном RTD будет чрезвычайно высока и с дополнительными трудностями при подключении, особенно в отраслях, где требуется большое количество точек процесса. контролироваться из диспетчерской, расположенной в удаленном месте [5], например, в химической, тепловой энергетике, на электростанциях и в других отраслях.В мостовой измерительной системе сопротивление выводных проводов также оказывает отрицательное влияние на измерения. Авторы в [6,7] представили метод устранения сопротивления выводных проводов для схемы четверть- и полумостового интерфейса соответственно, в котором использовалось несколько операционных усилителей (OPAMP) и использовалось их высокое входное сопротивление. Этот метод смог устранить неблагоприятное влияние на измерения, вызванное подводящими проводами, но он не может получить конкретные значения сопротивления подводящего провода, кроме того, его интерфейсные схемы и цепи питания были усложнены из-за OPAMP.Подобные методы с использованием OPAMP также были опубликованы в ссылке [8,9,10]. Во всех этих мостовых интерфейсных схемах использовался трех- или четырехпроводный метод, за исключением ссылки [6].

        Таким образом, были проведены исследования метода компенсации двухпроводных датчиков. В ссылке [11] выбирается компенсационный резистор с таким же номиналом и из того же материала, что и сопротивления выводов, в сочетании с тремя операционными усилителями и источником постоянного тока для компенсации погрешности выводных проводов.Хотя схема этого метода проста, сопротивление компенсации необходимо регулировать вручную, если длина подводящего провода изменяется из-за реконструкции. Кроме того, еще предстоит подтвердить эффект компенсации из-за температурного дрейфа сопротивления выводного провода. Авторы [5] предложили новую технику компенсации сопротивления выводного провода с использованием двухпроводного термометра сопротивления. В этом методе использовались два диода, один из которых был включен последовательно с RTD, а другой — параллельно с последовательной цепью, состоящей из RTD и первого диода.В его интерфейсной схеме использовались источник тока, четыре аналоговых переключателя и четыре схемы удержания образца, а для вывода напряжения относительно сопротивления RTD используется операционный усилитель. В принципе, этот метод полностью устранил ошибку измерения, вызванную сопротивлением выводного провода и его температурным дрейфом, но его точность измерения зависела от постоянства прямого падения напряжения на двух диодах. Следовательно, для достижения высокой точности измерения необходимо заранее измерить и спарить диоды.Кроме того, этот метод не может получить истинное значение сопротивления выводного провода. Этот метод также был замечен в других справочных материалах, и в схему интерфейса были внесены некоторые улучшения. В справочнике [12] три однополюсных аналоговых переключателя с двойным направлением (SPDT) используются для реализации компенсации сопротивления подводящего провода, которая не зависела от опорного напряжения. Авторы [13,14] использовали преобразователь напряжения в ток для обеспечения тока и сократили количество аналоговых переключателей SPDT до двух.В китайском патенте был изобретен метод, использующий переходные характеристики цепи резистор-конденсатор (RC) для измерения сопротивления подводящего провода и компенсации погрешности измерения теплового сопротивления. В этом методе на точность измерения не влияют характеристики дополнительного конденсатора, и значение сопротивления выводного провода может быть получено в реальном времени, что позволяет избежать отрицательного влияния температурного дрейфа сопротивления выводного провода. Согласно патенту частота обновления составляет менее 5 Гц, и это не подходит для приложений, в которых изменения температуры необходимо проверять динамически.В ссылках [15,16] схемы интерфейса для четырехпроводного резистивного датчика были разработаны аналогичным методом многократного заряда и разряда конденсатора, а частота обновления, о которой сообщалось, составляла 25 Гц. Авторы в ссылках [17,18] объединили метод для двухпроводных датчиков, описанный в ссылке [5], а также предложили метод с использованием конденсатора, и их минимальный полный цикл измерения требовал 5,3 мс. Эти методы имеют ту же проблему, что и ограниченная частота обновления.

        Целью данной статьи является решение проблемы компенсации сопротивления выводов и проводов для двухпроводных RTD на основе максимально простой интерфейсной схемы, при условии, что точность измерения и частота обновления являются приемлемыми.Таким образом, предлагается новый метод компенсации ошибки измерения сопротивления выводного провода двухпроводного термометра сопротивления, который также может противостоять отрицательному влиянию температурного дрейфа сопротивления выводного провода на схему компенсации. Этот метод добавляет только один стабилитрон на стороне датчика, а сопротивление подводящего провода и сопротивление RTD можно точно измерить с разделением времени на основе стабильности обратного напряжения пробоя и минимальности обратного тока утечки.Простая реализация и проверка схемы интерфейса будут описаны позже в этой статье, для чего требуется только один аналоговый переключатель SPDT и пара эталонных источников питания, а OPAMP не требуются. По сравнению с существующими методами, предлагаемый метод не только использует меньшее количество компонентов, только один стабилитрон, для двухпроводных RTD, но также может обнаруживать и диагностировать отказы выводных проводов путем измерения сопротивления выводных проводов в реальном времени.

        2. Материалы и методы

        2.1. Принцип

        В сочетании со сценариями инженерных приложений дистанционного измерения показана принципиальная схема метода, предложенного в этой статье, которая состоит из четырех областей. R t представляет собой RTD, а область A — это область объекта, который необходимо измерить. Область B, где расположен стабилитрон, должна быть как можно ближе к RTD, и температура окружающей среды в этой области не должна существенно меняться из-за изменения температуры в области A.RTD в области A и стабилитрон в области B соединены двумя проводами. Поскольку их длина очень ограничена, сопротивление этих проводов незначительно. Область C представляет собой схему расположения выводных проводов. В системе дистанционного измерения путь довольно длинный. Его конкретная длина зависит от практических инженерных условий и часто изменяется в связи с инженерными изменениями и другими причинами. Сопротивления R w1 и R w2 представляют сопротивление подводящего провода, и обычно считается, что R w1 = R w2 = R w .Область D представляет собой комнату дистанционного управления или аппаратную, где расположена интерфейсная схема. Другие элементы будут описаны в сочетании с процедурами измерения в следующем параграфе.

        Принципиальная электрическая схема метода компенсации сопротивления вывода.

        В предлагаемой методике полная процедура измерения сопротивления RTD состоит из трех этапов:

        Переключатель SW в области D переключается в положение 1. Источник постоянного тока (CCS) обеспечивает ток I c через резисторы R с выводами. w1 и R w2 , вызывая обратный пробой стабилитрона и устанавливая на нем стабильное напряжение U d .Поскольку сопротивление стабилитрона после обратного пробоя очень мало, большая часть тока проходит через диод. Хотя ток, протекающий через R , относительно невелик, необходимо учитывать отрицательное влияние самонагрева RTD на измерение температуры. Измеряется напряжение в позиции 3, обозначенной как U 3 . Тогда сопротивление подводящего провода R w можно рассчитать, подставив U 3 в уравнение (1).

        Запишите значения для U 3 и R w , которые будут использоваться в следующих шагах.Программное обеспечение

        переключено в положение 2. RTD питается от источника постоянного напряжения (CVS) с напряжением U c , что не превышает U d . В это время стабилитрон работает в режиме обратной отсечки, а эквивалентное сопротивление очень велико. Ток, проходящий через него, обозначенный как I d , находится в диапазоне микроампер [19], конкретное значение которого должно быть получено путем измерения заранее. На этом этапе напряжение в позиции 3 обозначено как U 3 , которое измеряется и удовлетворяет уравнению (2).

        U3 ’= 2I · Rw + (I-Id) Rt

        (2)

        I в уравнении (2) представляет выходной ток CVS. В то же время напряжение, измеренное в позиции 2, представлено как U2. Таким образом, I можно получить из уравнения (3). Сохраните значения U 2 и U 3 для Шага 3:

        I = (Uc — U2) / Rs

        (3)

        где R s представляет собой калибровочный резистор.

        Подставляя уравнения (1) и (3) в уравнение (2), можно получить сопротивление RTD, как показано в уравнении (4).

        Rt = Ic · Rs · U3 ‘+ (UC − U2) (Ud − U3) Ic (Uc − U2 − Id · Rs)

        (4)

        Уравнение (4) показывает, что это простое алгебраическое уравнение , которая может быть решена в микроконтроллере для получения сопротивления RTD. Затем сопротивление RTD может быть преобразовано в температуру просто методом справочной таблицы или прямым вычислением полинома.

        Из уравнения (4) видно, что факторы, влияющие на точность измерения сопротивления RTD, следующие:

        • Стабильность U d и I d

        • Стабильность U c и I c

        • Точность измерения U 2 , U 3 и U 3

        • Точность и стабильность R s

        Первый ключевой и наиболее сложный фактор реализации предложенной методики.Другие факторы могут быть удовлетворены обычными техническими средствами, такими как использование высокоточного аналогово-цифрового отбора проб, источника питания с низким температурным дрейфом и сопротивления дискретизации.

        По сравнению с ВАХ нормального диода, ВАХ стабилитрона имеет более узкий диапазон напряжения пробоя и больший наклон кривой. Следовательно, изменение напряжения обратного пробоя U d с его рабочим током очень мало. В настоящее время для высокоточных стабилитронов номинальная погрешность обратного напряжения пробоя может достигать 0.05%, а консистенция устройства очень высока. Кроме того, обратный ток утечки стабилитрона можно поддерживать относительно стабильным в области обратной отсечки. Эти характеристики стабилитрона позволяют откалибровать систему. Для получения более высокой точности измерения необходимо откалибровать значения обратного напряжения пробоя и обратного тока утечки стабилитрона в каждой измерительной цепи и сохранить их в энергонезависимой памяти.

        Исходя из этого принципа, частота обновления зависит от времени отклика стабилитрона при входе ступенчатого напряжения (200 мкс), времени однократного переключения аналогового переключателя (18 нс), двух значений времени дискретизации из аналогового в цифровой и времени дискретизации. время расчета микроконтроллера.Значения в скобках выше взяты из таблицы данных устройства, используемого в прототипе схемы в разделе 2.3. Время преобразования обычных 16-битных аналогово-цифровых микросхем составляет 2 мкс, а время вычисления уравнения (4) для 32-битного микроконтроллера с частотой 72 МГц не должно превышать 30 мкс. Следовательно, общее время одного измерения должно быть в пределах 250 мкс. Другими словами, частота обновления в этой статье может достигать 4 кГц.

        2.2. Simulation

        Модель схемы, показанная на, была создана в программе моделирования схем Multisim 14.Модель имитирует изменения сопротивления RTD и подводящих проводов через регулируемый резистор. В этой статье основное внимание уделялось RTD с номинальным значением 1000 Ом при 0 ° C, и диапазон от -38,67 ° C до +299,86 ° C был выбран в качестве диапазона исследования. Диапазон его сопротивлений составляет 848 Ом – 2120 Ом соответственно [20]. Обеспечивая максимум 50 Ом однопроволочного провода, расстояние составляет около 553 м при выборе экранированного луженого медного проводника с номинальным поперечным сечением 0,2 мм 2 , который может охватывать большинство практических инженерных приложений.Параметры имитационной модели показаны на.

        Таблица 1

        Параметры, используемые в имитационной модели.

        Параметры Напряжение пробоя стабилитрона Выходной ток CCS Выходное напряжение CVS Сопротивление в открытом состоянии аналогового переключателя Температура
        Значение 2,4 В 10,00 мА 1,250 В 0.5 Ом 27 ° C

        При выборе тока CCS учитываются два фактора: с одной стороны, чтобы уменьшить эффект самонагрева RTD, рабочий ток должен быть как можно меньше. С другой стороны, поскольку чем больше ток CCS, тем выше стабильность напряжения на стабилитроне согласно результатам моделирования, чтобы обеспечить точность измерения, напряжение должно быть как можно более стабильным, а ток CCS должен быть как можно большим.

        Согласно результатам нескольких симуляций, когда ток CCS был выбран равным 10 мА, изменение напряжения на стабилитроне и тока через RTD соответственно мало, как показано в следующих параграфах. Это не только гарантирует достаточную точность измерения, но и позволяет избежать серьезного эффекта саморазогрева.

        Если используются стабилитроны разных типов, необходимо повторно измерить стабильность напряжения и преобразовать ее в точность измерения.Выберите как можно меньший ток CCS в пределах допустимой точности измерения.

        Конкретные процедуры моделирования показаны в следующих параграфах.

        Сначала смоделирован шаг 1 в разделе 2.1 для изучения стабильности U d , когда сопротивление RTD и подводящего провода изменяется под напряжением CCS. Результаты моделирования представлены в. Он показывает, что изменение напряжения на стабилитроне в исследуемом диапазоне составляет 0,006 В при токе 10 мА, что равно 0.25% от номинального значения напряжения пробоя.

        Таблица 2

        Напряжение на стабилитроне, определяемое сопротивлением резистивного датчика температуры (RTD) и выводного провода (в В).

        Уставки сопротивления RTD ( Ом ) 848,0 1060,0 1272,0 1484,0 1696,0 1908,0 2120,0
        Уставки сопротивления подводящего провода ( Ом ) 0.5 2,410 2,412 2,414 2,415 2,415 2,416 2,416
        5 2,410 2,412 2,414 2,415 2,4
        20 2,410 2,412 2,414 2,415 2,415 2,416 2,416
        50 2.410 2,412 2,414 2,415 2,415 2,416 2,416

        Затем результаты моделирования показывают, что ток через RTD изменяется в зависимости от его значения сопротивления, как показано на a. В исследуемом диапазоне ток постепенно снижался с 2,88 мА до 1,15 мА. Хотя сопротивление RTD не измеряется на этапе 1, слишком большой ток вызовет эффект самонагрева и повлияет на точность измерения температуры, что необходимо учитывать.Например, метод измерения при импульсном возбуждении может быть адаптирован, чтобы избежать эффекта саморазогрева [21].

        ( a ) Ток через RTD изменяется по сопротивлению при питании CCS; ( b ) ток через стабилитрон изменяется над сопротивлением RTD при питании CCS.

        После этого переключатель SW переводится в положение 3 для имитации шага 2 в разделе 2.1. Обратному току утечки стабилитрона следует уделять больше внимания, чтобы оценить его влияние на точность измерения.b показывает изменение обратного тока утечки стабилитрона в диапазоне исследований резистивного датчика температуры, когда сопротивление выводного провода установлено на 15 Ом. В основном он стабилен между 6 и 7 мкА. Результаты моделирования показывают, что в дальнейшем, когда сопротивление выводного провода изменяется в пределах 0–50 Ом, изменение обратного тока утечки стабилитрона составляет менее 0,1 мкА. Стабильность этого значения гарантирует возможность получения сопротивления RTD из уравнения (4) на вышеупомянутом этапе 3.

        В конце концов, сопротивление RTD рассчитывается в соответствии с уравнением (4) в сочетании с параметрами в, где U d — 2.413 В и I d составляет 6,40 мкА. Сопротивление рассчитывается как температура в соответствии с полиномом в [20], и результат показан на.

        Таблица 3

        Сравнение уставок и имитационных значений сопротивления RTD и соответствующей температуры.

        9039 908 212,32 точек
        Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Уставки Сопротивление / Ом 848.00 954.00 1060.00 1166.00 1272.00 1378.00 1484.00 1590.00 1696.00 1802.00 1908.00 2014.00 4 21209.00 Температура / ° C −38,67 −11,75 15,39 42,74 70,33 98,14 126,19 154,49 183,03 211.84 240,90 270,24 299,86
        Наблюдаемые значения R w = 0,5 Ом Рез. / Ом 849,00 955,03 1061,01 1166,99 1272.96 1378.94 1484.90 1590.87 2014,69 2120,62
        Температура / ° C −38.42 −11,49 15,65 43,00 70,58 98,39 126,43 154,72 183,26 212,05 241,10 270,43 4 4 9037 300 Рез. / Ом 850,04 956,03 1062,02 1168,00 1273,97 1379,95 1485,91 1591,87 1697,83 1803.79 1909,75 2015,69 2121,64
        Температура / ° C −38,15 −11,23 15,91 43,26 70,84 126608 241,38 270,71 300,32
        R w = 5 Ом Рез. / Ом 848,36 954,22 1060,11 1166.01 1271,92 1377,84 1483,76 1589,68 1695,61 1801,53 1907,45 2013,39 2119,32
        8609 42,75 70,31 98,10 126,13 154,40 182,93 211,71 240,75 270,07 299,66
        R w = 2060 Ом/ Ом 848,39 954,25 1060,14 1166,05 1271,96 1377,87 1483,78 1589,73 1695,66 1801,58 9038 9037 9037 9037 −38,57 −11,68 15,42 42,76 70,32 98,11 126,13 154,41 182,94 211.72 240,77 270,08 299,68
        R w = 50 Ом Рез. / Ом 848,44 954,31 1060,20 1166,11 8127 1589,82 1695,75 1801,68 1907,62 2013,56 2119,49
        Температура / ° C −38,56 −11,67 42400 15,44 .77 70,33 98,13 126,16 154,44 182,97 211,75 240,80 270,12 299,71

        показывает сопротивление RTD, установленное в соответствии с 4 арифметическая последовательность и пять различных сопротивлений проводов в исследуемом диапазоне. Сравнение заданных значений и расчетных значений показывает, что наибольшая ошибка сопротивления RTD составляет +2.04 Ом и -0,68 Ом максимальная погрешность измерения температуры составляет +0,52 ° C и -0,19 ° C.

        Результаты моделирования показывают, что метод может эффективно компенсировать неблагоприятное влияние сопротивления подводящего провода в пределах 50 Ом на измерение температуры. Между тем точность измерения температуры достигает ± 0,52 ° C или 0,3% от исследовательского диапазона.

        2.3. Эксперимент

        На основе выполнимости вышеуказанного моделирования для проведения валидационного эксперимента была разработана схема интерфейсной схемы RTD, как показано на рисунке, и изготовлен практический прототип схемы, как показано на рисунке b.

        Схема интерфейсной цепи RTD.

        (а ) Общий вид экспериментальной установки; ( b ) прототип схемы крупным планом.

        Сопротивление выводного провода моделировалось точными регулируемыми резисторами R w1 и R w2 . RTD моделировался коробкой сопротивлений, точность 0,1%. В схеме использовался прецизионный стабилитрон (LT1634; Linear Technology Corp., Милпитас, Калифорния, США), и она возбуждалась от единственного источника питания +5 В.Микросхема источника тока (LT3902; Linear Technology Corp., Милпитас, Калифорния, США) и микросхема опорного напряжения (REF3012, Texas Instruments Inc., Даллас, Техас, США) интегрированы в схему для построения схемы источника питания. Коммутация цепи осуществляется аналоговым переключателем (ADG719; Analog Devices Inc., Норвуд, Массачусетс, США). Фотография прототипа схемы представлена ​​на б.

        Устройства, использованные в эксперименте, показаны на рисунке, который включает: (1) 6,5-битный цифровой мультиметр (34461A; Keysight Technologies, Inc., Loveland, CO, USA) для измерения напряжения и тока; (2) универсальный прибор (VB8012; National Instruments Corp., Остин, Техас, США) с портативным компьютером, работающим как цифровой выходной интерфейс, регулируемым источником напряжения и 5,5-битным цифровым мультиметром; (3) вращающийся блок сопротивлений и (4) прототип интерфейсной схемы, изготовленный в соответствии с.

        Электрическая связь между экспериментальными приборами следующая: клеммы U 2 и GND рядом в были подключены к каналам измерения напряжения мультиметра 34461A; клеммы U 3 и GND рядом были подключены к каналу измерения напряжения универсального прибора VB8012; клемма SW подключается к цифровому выходному порту VB8012; клеммы +5 В и GND рядом были подключены к порту вывода питания VB8012; клеммы RTD1 и RTD2 были подключены к коробке сопротивлений.

        В начале эксперимента значения R s , U d , U c и I c были измерены одно за другим с помощью мультиметра 34461A. Они были записаны и будут использоваться в последующих расчетах.

        В ходе эксперимента были выполнены следующие этапы:

        1. Установите значения шкалы сопротивлений для RTD и регулируемых резисторов для выводных проводов.

        2. Включите порт цифрового вывода VB8012 на высокий уровень, чтобы включить CCS и выключить CVS.

        3. Измерьте и запишите напряжение U 3 с помощью VB8012.

        4. Установите порт цифрового вывода VB8012 на низкий уровень, чтобы включить CVS и выключить CCS.

        5. Измерьте и запишите напряжение U 3 с помощью VB8012 и напряжение U 2 с помощью 34461A.

        После чередования уставок шкалы сопротивлений и регулируемых резисторов вышеуказанные шаги были повторены один раз, чтобы получить второй набор измерений.После многих повторений было получено больше измерений. Когда измерение было завершено, все данные были введены в электронную таблицу для расчета измеренного значения ячейки сопротивления и соответствующей температуры.

        3. Результаты и обсуждение

        Все эксперименты проводились при температуре окружающей среды 17,5 ° C. Измеренные значения других констант, необходимых для расчета, показаны на.

        Таблица 4

        Параметры, используемые в имитационной модели.

        Параметры Опорное напряжение CVS Выходной ток CCS Падение напряжения стабилитрона Ток утечки стабилитрона Сопротивление выборки
        Значение мА 1,2514 В 1,75 мкА 200,03 Ом

        Когда сопротивление подводящего провода было установлено на 1 Ом, при тринадцати заданных значениях сопротивления RTD от 848 Ом до 2120 Ом, значения ячейки сопротивления были измеренная предлагаемым методом, и была переведена в соответствующую температуру с помощью полинома в [20].Статистика ошибок сопротивления и температуры была получена путем сравнения с заданными значениями, как показано на рис.

        ( a ) Погрешности измерения сопротивления при сопротивлении подводящего провода 1 Ом; ( b ) Погрешности измерения соответствующей температуры при сопротивлении подводящего провода 1 Ом.

        a показывает, что диапазон погрешности измерения сопротивления составляет -0,17 Ом– + 0,72 Ом, отклонение для соответствующей температуры составляет -0,05 ° C– + 0,19 ° C, как показано на b. показывает, что максимальная погрешность измерения возникла при заданном значении 1060 Ом или 15.39 ° С. Дальнейшая проверка данных эксперимента при других значениях сопротивления выводных проводов, приведенных в таблице, показывает ту же картину.

        ( a ) Погрешности измерения сопротивления при разном сопротивлении подводящего провода; ( b ) погрешности измерения температуры при разном сопротивлении подводящего провода.

        Путем изменения регулируемого сопротивления сопротивление подводящего провода было установлено на значения, указанные на. Затем тринадцать заданных значений сопротивления RTD, как показано на a, были измерены одна за другой, и максимальные ошибки сопротивления и температуры были взяты и суммированы на a, b, где синий столбец представляет максимальную положительную ошибку, а оранжевый столбец представляет собой максимальную отрицательную ошибку.указывает, что все ошибки не превышают ± 0,3 ° C среди шести групп сопротивления выводных проводов, а максимальные значения составляют +0,21 ° C и -0,26 ° C. Распределение ошибок не имеет конкретной связи с сопротивлением выводного провода.

        Результаты экспериментов показывают, что метод компенсации сопротивления выводного провода, предложенный в этой статье, может точно измерить сопротивление резистивного датчика температуры, когда диапазон сопротивления выводного провода составляет 0,5–50 Ом. В диапазоне измерения 848–2120 Ом или –38,67 ° C– + 299,86 ° C погрешность измерения температуры находится в пределах ± 0.3 ° C в соответствии с полиномом температурных характеристик термометров сопротивления с сопротивлением 1000 Ом при 0 ° C. Это указывает на то, что предлагаемая методика может эффективно компенсировать сопротивление выводов резистивного датчика температуры, а точность компенсации может соответствовать требованиям наиболее удаленного измерения температуры с использованием резистивных датчиков температуры.

        Помимо возможности достижения компенсации сопротивления выводов для двухпроводных датчиков, преимущества этого метода включают в себя: используемый компонент прост и мал по размеру, так как только один стабилитрон подключен параллельно к датчику; время измерения невелико, поскольку рабочая точка стабилитрона может быть установлена ​​за очень короткое время, достижимая скорость обновления датчика намного выше по сравнению со схемой с заряжаемым и разряженным конденсатором; постоянство напряжения обратного пробоя между стабилитронами отличное, а его начальная точность равна 0.05% доступно; удельное сопротивление выводных проводов может быть получено в режиме реального времени, что делает возможной диагностику неисправностей выводного провода.

        Предлагаемый метод может быть популяризирован для других приложений дистанционного измерения с использованием резистивных датчиков с подводящими проводами, таких как резистивные датчики смещения, датчики магнитного поля, пьезорезистивные датчики и т. Д. Оба датчика, упомянутые в ссылке [23], должны устранить ошибки, вызванные сопротивлением выводного провода, при использовании четырехпроводной конфигурации.Таким образом, эти датчики могут превращаться в двухпроводную систему из трех- или четырехпроводной системы, что значительно экономит затраты на подводящий провод и время на строительство.

        Что такое туннельный диод?

        Что означает туннельный диод?

        Туннельный диод — это полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением, то есть ток уменьшается с увеличением напряжения. Благодаря использованию квантово-механических эффектов туннельный диод может работать быстро и хорошо работать в микроволновом радиочастотном диапазоне.Уникальные характеристики туннельных диодов делают их полезными в таких приложениях, как генераторы и усилители.

        Туннельные диоды также известны как диоды Эсаки.

        Techopedia объясняет туннельный диод

        Туннельный диод — это устройство с двумя выводами, в котором полупроводник n-типа действует как катод, а полупроводник p-типа действует как анод. Он сильно легирован, что, в свою очередь, создает узкую зону обеднения, как у стабилитрона. Вольт-амперная характеристика туннельного диода имеет сильно нелинейный характер, а также имеет область отрицательного дифференциального сопротивления.

        Два очевидных преимущества туннельных диодов — это долговечность и очень высокая скорость. Туннельный диод может оставаться стабильным в течение более длительного времени, чем другие полупроводниковые устройства. Он также способен работать на высокой скорости, что используется в микроволновых радиочастотных приложениях. Другие преимущества использования туннельных диодов включают низкое рассеивание мощности, низкий уровень шума, простоту изготовления и устойчивость к окружающей среде, что означает, что на туннельный диод влияет температура окружающей среды.

        К недостаткам туннельных диодов часто относятся низкое отношение амплитудного тока к минимуму и воспроизводимость. В отличие от других устройств, область отрицательного сопротивления вместе с размахом тока невелика, что в основном требуется для обеспечения производительности, возможной в других аналогичных устройствах. Воспроизводимость также часто невозможна с туннельными диодами.

        Туннельные диоды в настоящее время широко не используются, поскольку существуют другие альтернативы.

        Благодаря быстрому туннельному действию туннельный диод используется в приложениях с очень высокими частотами, поскольку отсутствует искажение сигнала и меньшее время прохождения сигнала.Туннельные диоды также используются в высокоскоростной коммутации благодаря свойству туннельного действия.

        .
    Разное

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.