МИНОБРНАУКИ
РОССИИ
Санкт-Петербургский
государственный
электротехнический
университет
«ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра
БТС
отчет
по
лабораторной работе №2
по
дисциплине «САПРиКМТ»
Тема:
Получение зависимости вольт-амперной
характеристики диода от температуры и
построение термометра на его основе
|
Студент |
Исаков А.О. |
|
|
Преподаватель |
Боброва Ю.О. |
Санкт-Петербург
2020
Цель
работы: получить температурную
зависимость вольтамперной характеристики
(ВАХ) полупроводникового диода, построить
термометр на основе регистрации изменений
прямого напряжения этого диода в
зависимости от температуры и исследовать
параметры термометра.
Основные
теоретические положения
Температурный
коэффициент напряжения
– относительное
изменение напряжения,
приложенного к
выводам диода,
при изменении
температуры окружающей
среды на
один градус
Цельсия (Кельвина)
и неизменном токе.
Принцип действия термометра
основан на зависимости прямого напряжения
на диоде от его температуры при
фиксированном значении тока. Температурный
коэффициент прямого напряжения на
кремниевом диоде составляет около –2
мВ/°С, поэтому при его нагревании прямое
напряжение уменьшается, а при охлаждении
– увеличивается (при определенном
значении тока).
Датчиком температуры в
работе является кремниевый диод D1 типа
1N3821. Через диод пропускают фиксированный
постоянный ток, задаваемый источником
постоянного тока I1. Этот ток образует
падение прямого напряжения на диоде
D1. Это напряжение усиливается на схеме
неинвертирующего усиления на ОУ с
одновременной компенсацией напряжения,
соответствующего 0 °С.
Эта компенсация обеспечивает нулевое
напряжение на выходе ОУ при 0 °С.
Полученная схема термометра
имеет следующие технические параметры:
– температурный
диапазон, °С –50 … +100;
– диапазон
изменения выходного напряжения
термометра, мВ –500 … +1000;
– коэффициент
преобразования температуры, мВ/°C 10;
– температурный
коэффициент напряжения диода
для
прямого включения, мВ/° 1,75.
Обработка результатов
-
Получение ВАХ
диода при различной температуре в
линейном масштабе
Рисунок
1 – Схема для получения ВАХ диода при
разных температурах
Построим
график изменения прямого напряжения
диода типа 1N3821 при изменении прямого
тока в диапазоне
от 10 нА до 10 мА и температуры диода от
–50 до +100 °С.
Рисунок
2 – ВАХ диода при разной температуре
(прямое включение)
-
Получение
ВАХ диода при различной температуре в
полулогарифмическом масштабе
Рисунок
3.1 – ВАХ диода при разной температуре
в полулогарифмическом масштабе
-
Определение
ТКН диода
при различной температуре
Найдем
температурный коэффициент напряжения
(ТКН) диода при прямом токе 1 мА, это
отношение диапазона изменений напряжения
к диапазону изменения температур:
ТКН =
1) ТКН = (U100ºC
– U0ºC)
/ (100ºC
– 0ºC)
= (725,8 – 551,4) / 100 = –1,744 мВ/°C.
2) ТКН = (U0ºC
– U-50ºC)
/ (0ºC
– -50ºC)
= (809,6 – 725,8) / 50 = –1,676 мВ/°C.
3) ТКН = (U100ºC
– U-50ºC)
/ (100ºC
– -50ºC)
= (725,8 – 725,8) / 150 = 0 мВ/°C.
Рисунок 3.2 – Зависимость напряжения
диода от тока
-
Определение
ТКН диода при различных значениях
прямого тока
Рисунок
4 – Зависимость прямого напряжения на
диоде от температуры
Другой
способ определения ТКН
диода – это получение зависимости
прямого напряжения на диоде от температуры
при заданном значении тока, также с
помощью анализа по постоянному току.
Рисунок
5 – Зависимость прямого напряжения на
диоде от температуры при различных
значениях прямого тока
Полученные
зависимости: ВАХ диода при разной
температуре и зависимость
прямого напряжения на диоде от температуры
при различных значениях прямого тока
позволяют однозначно определить
параметры схемы усиления для построения
термометра.
-
Построение
термометра
Рисунок
6 – Схема
термометра
Поскольку при температуре
0°С выходное напряжение усилителя должно
иметь нулевое значение, то выбираем
равные значения сопротивлений резисторов
R1 и R3 и равные 100 кОм, значение
компенсирующего напряжения V3 должно
быть равно значению и противоположно
по знаку величине прямого напряжения
диода при температуре 0, т. е.
–725 мВ.
Заданием значения отношения
резисторов R1 и R2 можно изменять значение
крутизны выходной характеристики с
единицей измерения мВ/°С. Так для
получения на выходе усилителя напряжения
1000 мВ при 100 °С необходимо усиление около
6 раз. А точнее, 1000 мВ /
(551 мВ – 725 мВ) = = 1000 / (–178) = 5,618.
Поэтому величину резистора R2 принимаем
560 кОм.
Рисунок
7 – Зависимость прямого
напряжения на диоде от температуры при
прямом токе 1 мА (вверху) и зависимость
напряжения на выходе термометра от
температуры
-
Моделирование
термометра в режиме Transient Analysis
Рисунок
8 – Зависимость
прямого напряжения диода VIN при
температурах 100, 0, –50°С
Рисунок
9 – Получение
точных значений напряжений
с помощью левого и правого вертикальных
маркеров
За
счет подачи компенсирующего напряжения
V3 противоположной полярности относительно
напряжения на диоде D1 необходимо добиться
того, что при нулевой температуре
выходное напряжение операционного
усилителя также будет равно 0. При
нагревании p-n-перехода диода напряжение
на диоде уменьшается, при этом
компенсационное отрицательное напряжение
будет превосходить действие положительного
напряжения диода, обеспечивая получение
на выходе положительного напряжения,
соответствующего измеряемой температуре.
Рисунок
10 – Выходное
напряжение термометра при различных
значениях температуры в диапазоне
-50…+100°С
(Transient
Analysis)
Из
графика на рисунке 10 видно, что при –50
°С
выходное напряжение составляет –500 мВ,
при 0 °С
– 0 В, а при +100 °С
– +1050 мВ.
Таким образом, значение крутизны выходной
характеристики обеспечивается на уровне
10 мВ/°С.
Выводы
1-2. Объясните основную
причину изменения прямого напряжения
диода при фиксированном токе при
воздействии температуры. Почему у
полупроводниковых диодов температурный
коэффициент напряжения имеет отрицательную
величину?
Для полупроводников без примесей
температурный коэффициент сопротивления
отрицателен,
с ростом
падает, поскольку при
все большее число электронов переходит
в зону проводимости, соответственно
увеличивается и концентрация дырок.
Соответственно, при постоянном токе
напряжение должно падать.
3. Каким образом в схеме
термометра обеспечивается нулевое
выходное напряжение при температуре 0
°С?
Поскольку при температуре
0°С выходное напряжение усилителя должно
иметь нулевое значение, то выбираем
равные значения сопротивлений резисторов
R1 и R3 и равные 100 кОм, значение
компенсирующего напряжения V3 должно
быть равно значению и противоположно
по знаку величине прямого напряжения
диода при температуре 0, т. е.
–725 мВ.
4. Как изменить крутизну
характеристики термометра?
Заданием значения отношения
резисторов R1 и R2 можно изменять значение
крутизны выходной характеристики с
единицей измерения мВ/°С. Так для
получения на выходе усилителя напряжения
1000 мВ при 100 °С необходимо усиление около
6 раз. А точнее, 1000 мВ /
(551 мВ – 725 мВ) = = 1000 / (–178) = 5,618.
Поэтому величину резистора R2 принимаем
560 кОм.
5. Какой вид анализа
используется для получения ВАХ?
Режим снятия характеристик
по постоянному току DC Analysis.
6. Какие параметры элементов схемы
усиления будет необходимо изменить в
случае использования в качестве датчика
температуры другого диода?
ВАХ диода при разной
температуре и зависимость прямого
напряжения на диоде от температуры при
различных значениях прямого тока
позволяют однозначно определить
параметры схемы усиления для построения
термометра. В нашем случае изменить
потребовалось бы R1=R3
и V3.
-
Каким образом можно оценить нелинейность
зависимости прямого напряжения на
диоде от температуры при фиксированном
значении тока?
Дать оценку нелинейности зависимости
прямого напряжения на диоде от температуры
при фиксированном значении тока значит
найти температурный коэффициент
напряжения (ТКН) диода при прямом токе.
Иными словами, найти отношения диапазона
изменений напряжения к диапазону
изменения температур.
ТКН = ΔUпр
/ Δ t
ТКН =
Соседние файлы в папке Лаба 2
- #
08.04.202216.73 Кб9circuit3.cir
- #
08.04.202226.59 Кб9L_2_2.cir
- #
08.04.202216.9 Кб10L_2_3.cir
- #
- #
- #
Сейчас выпускается много разных интегральных линейных стабилизаторов напряжения и кажется, что обычные стабилитроны отошли на второй план. А если все таки нужен стабилитрон, то можно взять TL431. Так?
Не совсем так. Стабилитроны по прежнему используют, хоть область их применения и сузилась. А TL431, при все его плюсах, иногда бывает избыточен. Да и стоит дороже, что иногда бывает важным.
Но сегодняшняя статья не об этом. Мы оставим в стороне споры о том, стоит ли использовать стабилитроны, как они работают, как устроены. Поговорим о некоторых практических аспектах их применения.
Статья из серии “электроника для начинающих“. Опытные любители электроники вряд ли найдут здесь для себя что то полезное или интересное. А профессионалам она точно будет не интересна.
Для понимания статьи достаточно знаний школьной программы в физике и математике.
Казалось бы, зачем снова рассказывать о том, что “устарело” и “давно всем известно”? Однако, как показывает практика, известно все таки не всё и не всем. И у новичков неизменно возникает множество вопросов. Особенно у тех, кто хочет достичь понимания, а не довольствуется чтением статей вроде “как рассчитать балластный резистор для стабилитрона”. Да и не устарели стабилитроны.
Давайте попробуем разобраться в некоторых особенностях применения стабилитронов. Без высшей математики и физики полупроводников, но относительно подробно.
Сразу уточню, что описываемое в статье применимо и для стабилитронов, и для стабисторов, и даже для TL431. И даже для защитных TVS диодов.
Небольшое примечание по стабисторам. В этих диодах рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ. И отсутствует обратимый пробой. Тем не менее, описанное в статье применимо и к стабисторам.
Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления
Не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но нам все таки нужно от чего то отталкиваться, что бы разговор был предметный.
Поскольку схема совершенно стандартная, я не буду ее подробно описывать. Но нам потребуется тот факт, что потребляемый от источника напряжения Е ток равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки.
Исходя из этого обычно приводят формулу для расчету сопротивления балластного резистора
В этой формуле все верно. Просто записанная в таком виде она многое не учитывает. Напряжение источника E, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки Iн считаются известными и заранее заданными. А вот ток через стабилитрон Iст предлагается выбирать. Тут то у новичков и возникают вопросы. И ответ на вопрос, а какой же ток выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд.
Да, можно просто сказать, например, 3-5 мА будет хорошим выбором. И у новичка тут же возникает еще один вопрос, а почему именно такой ток? Вполне закономерный вопрос. К тому же, такой простой совет может быть и неверным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо малым. Для этих стабилитронов нужно выбирать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие раритеты? Вот вам пример посвежее. Для 1SMA5918BT3G нужен ток не менее 65 мА.
Что бы понять, почему так происходит мы должны повнимательнее посмотреть на ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и разобраться с понятием дифференциального сопротивления. Для начала.
Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление
Давайте нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции так же не соблюдаются.
Разными цветами я показал три основных области.
В области обратно-смещенного перехода стабилитрон ведет себя как обычный диод при подаче обратного напряжения. У стабисторов рабочей является на обратная, а прямая ветвь ВАХ, поэтому на ВАХ будет не область обратно-смещенного перехода, а область прямо-смещенного перехода при малых напряжениях. Понятно, что эта область не является рабочей для стабилитронов, а значит и интереса для нас не представляет. В справочных данных на стабилитроны обычно приводится значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.
В переходной области начинают проявляться эффекты связанные с обратимым пробоем. Часто считается, что пробой возникает мгновенно, однако это не так. Переходная область может быть довольно большой, например, у низковольтных стабилитронов. В качестве отдельного участка ВАХ эту область выделяют не всегда.
Рабочая область является основной используемой, как и следует из ее названия. Я показал ее почти линейной, но в реальности линейной она не является. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует паспортному значению напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст
Для рабочей области определяются еще две точки. Первая соответствует минимальному току Iстмин через стабилитрон, при котором рабочая точка еще находится в рабочей области. Вторая соответствует максимальному току Iстмакс через стабилитрон, при котором рассеиваемая стабилитроном мощность не превышает предельной.
Понятно, что ток Iст через стабилитрон должен лежать в пределах между Iстмин и Iстмакс. Но обратите внимание, что я показал рабочую область не строго вертикальной. И это соответствует реальности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочей области, в общем случае.
Обратите внимание, что на графике ВАХ координатные оси это напряжение и ток. А значит, прямая линия, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно не любая линия, а та, для которой положительное приращение тока соответствует положительному приращению напряжения.
А если это не прямая линия, а кривая? Как наша ВАХ. Как вы знаете, кривую можно аппроксимировать отрезками прямых. Да, не только прямых, но давайте это не будем рассматривать, нам это не потребуется. Каждый отрезок прямой определяется по двум точкам, (U0,I0) и (U1,I1), лежащими на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциального (разностного сопротивления).
Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки ВАХ. Если дифференциальное сопротивление определяется не на постоянном, а на переменном токе, то его физический смысл не изменяется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз посмотрим на наш пример ВАХ
Хорошо видно, что для точки (U1,I1) дифференциальное сопротивление больше, чем для точки (U2,I2). А это означает, что небольшие отклонения тока через стабилитрон во второй точке дадут меньшие отклонения напряжения стабилизации, чем в первой точке.
Что это для нас означает? Скоро узнаете. Но сначала давайте посмотрим на ВАХ реально выпускаемых стабилитронов BZX84.
Здесь показаны кривые для стабилитронов с разным напряжением стабилизации. В документации приводятся напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (тестовый ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией.
Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют большее дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1кГц). А это значит, гораздо большую зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон.
Немного подробнее о стабилизации
Давайте вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая приводилась в начале статьи. В общем случае, у нас может изменяться напряжение источника Е и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке должно, в идеальном случае, оставаться неизменным. Это и есть стабилизация.
Мы можем ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне
Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление влияние изменения тока нагрузки.
Давайте рассмотрим сначала влияние изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого вспомним, что ток через стабилитрон равен разности потребляемого от источника Е тока и тока нагрузки. Ток нагрузки у нас постоянный. Поэтому изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон.
Для упрощения предположим, что стабилитрон идеальный, а значит его напряжение стабилизации не изменится. Поэтому
ΔIст = ΔЕ / Rб
Теперь вспомнив, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации соответствующее изменению входного напряжения.
Собственно мы подтвердили ранее сделанное утверждение, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит, и влияние изменений входного напряжения. Тем меньше коэффициент стабилизации.
Давайте немного посчитаем для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5.1 В при токе 5 мА. Пусть у нас входное напряжение будет 10 В, а ток нагрузки равен 0.5 мА. Сопротивление балластного резистора при этом будет равняться 890 Ом. Предположим, что входное напряжение увеличилось на 2 В, на сколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)?
Типовое значение дифференциального сопротивления для BZV55C5V1 при токе 5 мА составляет 40 Ом. То есть, выходное напряжение изменится на 0.09 В. В худшем случае, если дифференциальное сопротивление будет равно 60 Ом, изменение составит уже 0.135 В. Даже в худшем случае изменение составит лишь 2.65% от номинального выходного напряжения.
А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно равняться 3.27 кОм. Типовое дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет равняться 400 Ом (480 Ом максимум). Теперь у нас выходное напряжение изменится на 0.24 В (0.29 В в худшем случае). А это уже 4.71% (5.69% в худшем случае).
То есть, от выбора рабочего тока через стабилитрон весьма существенно зависит стабильность напряжения стабилизации. При токе 5 мА у нас получается коэффициент стабилизации 7.56, а при токе 1 мА лишь 3.52.
Если мы будет рассматривать влияние тока нагрузки, то придем к таким же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это самостоятельно, в качестве упражнения.
Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления. Слишком малый ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Если сейчас вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из его паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73.5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартно советуемый ток 5 мА будет для него слишком мал. А вот для BZV55C5V1 он вполне подходит.
В общем случае, дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть много меньше балластного сопротивления и много меньше сопротивления нагрузки.
Это создает проблемы при входном напряжении близком к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, который имеет дифференциальное сопротивление 0.2 Ом (0.5 Ом в худшем случае). Однако, тут есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2.5 В.
Проблема с малым сопротивлением нагрузки может быть решена использованием, например, эмиттерного повторителя. Что приводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного стабилизатора. Без сомнения, вы эту схему отлично знаете.
Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них приводилось дифференциальное сопротивление для определенного тока через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда задавался минимальный ток стабилизации (во всяком случае, в отраслевых справочниках такое было).
Еще раз о расчете балластного сопротивления
Теперь мы лучше представляем себе выбор оптимального тока через стабилитрон. Но расчет балластного сопротивления все еще не учитывает некоторые, довольно важные, факторы.
Во первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, то нет и необходимости в стабилизации. Во вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным, или может считаться таковым. Например, если стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения для компаратора, то током нагрузки можно вообще пренебречь.
Что бы учесть влияние этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо после расчета балластного сопротивления для номинального входного напряжения и номинального тока нагрузки провести дополнительную проверку.
Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Нужно проверить, что бы ток через стабилитрон для выбранного Rб не превышал максимально допустимого. Причем с некоторым запасом.
Минимальный ток через стабилитроне будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Нужно проверить, что бы ток через стабилитроне не был меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, что бы рабочая точка находилась в рабочей области, а дифференциальное сопротивление было достаточно малым.
Улучшения/ухудшения
Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне не раз пытались улучшить. Пожалуй, наиболее известно предложение вместо Rб использовать стабилизатор тока. Например, заменив резистор на полевой транзистор с p-n переходом включенный как двухполюсник. Вы без сомнения видели подобные схемы не один раз.
Идея здесь проста – стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а его дифференциальное сопротивление велико. Это существенно повышает коэффициент стабилизации. Собственно, тут не важно, какой именно стабилизатор тока используется, вполне можно использовать и токовое зеркало.
Но не стоит забывать, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически ухудшить ситуацию при переменной нагрузке. Поскольку стабилизатор тока в этом случае может стать дополнительным дестабилизирующим фактором. Подумайте, почему, и в каких ситуациях, это может произойти.
ТКН (температурный коэффициент напряжения)
Напряжение стабилизации, как и следовало ожидать, зависит от температуры. Для низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. То есть, напряжение стабилизации снижается с ростом температуры. Для высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но у стабилитронов есть и островок стабильности, который расположен примерно вокруг напряжения стабилизации 5.5 В.
Выпускаются и термостабильные стабилитроны, которые можно использовать при работе в большом диапазоне температур.
Но нужно учитывать еще один момент, о котором не редко забывают. Стабилитрон при работе нагревается от рассеиваемой им мощности. Причем температура кристалла может быть ощутимо выше температуры корпуса. А это приводит к дополнительному изменению напряжения стабилизации.
Заключение
Пожалуй, на сегодня достаточно. Я коснулся, упрощенно, очень небольшой части касающихся использования стабилитронов вопросов. Той части, которая наиболее важна для новичков и в части практического использования, и для понимания работы стабилитронов.
Остались в стороне вопросы частотных свойств, емкости, временной стабильности. Остались в стороне интересные варианты схем включении. Например, когда выходным напряжением является не напряжение на стабилитроне, а напряжение на балластном резисторе. Остались в стороне не стандартные варианты использования стабилитронов. Например, в качестве варикапов для настройки колебательных контуров приемников.
Стабилитрон это простой и дешевый электронный прибор, который имеет массу разных применений. Но за этой простотой скрывается не мало тонкостей, которые нужно учитывать.
До новых встреч!
РадиоКот >Статьи >
Про “ТК”
1. Что же такое “ТК”?
“ТК” – это сокращение от “Температурный Коэффициент”. Это свойство радиодеталей изменять свои характеристики в зависимости от температуры. Возникает он оттого, что материалы, из которых делаются радиодетали, при изменении температуры расширяются, сжимаются, и с ними происходят другие странные вещи, о которых физики лучше знают.
2. Что происходит, когда мы забываем про “ТК”?
Многие котята не знают или просто забывают про “ТК”. А иногда происходит всё гораздо проще, например, нужен конденсатор какой-нибудь ёмкости, а нужного ТКЕ нет или он не известен. Часто торгаши вообще не знают (или не хотят знать, что гораздо вероятнее), чем они торгуют. Вот и приходится впаивать в конструкцию то, что удалось добыть.
А этот параметр очень важный. Если его не принимать во внимание, то при изменении температуры (просто окружающего воздуха или даже от нагрева аппаратуры во время её работы), характеристики детали с неучтённым ТК могут измениться настолько, что аппаратура станет работать плохо или вообще перестанет работать. Но самое интересное, что как только температура опять станет “нормальной”, аппаратура опять начинает работать как ни в чём не бывало. И сколько сил уйдёт на то, что бы отыскать эту “мерцающую неисправность” – а виноват во всём “ТК”.
3. Какие “ТК” бывают и в чём они измеряются.
Бывают они такие:
Могут и другие встретиться, но эти главные, практически всегда присутствуют.
Измеряются они в относительных единицах, которые показывают, насколько и куда изменяется данная характеристика радиодетали при изменении температуры на 1°. Это могут быть проценты на градус (%/°), промилле на градус (%/°) или миллионные доли на градус (ppm/°). Для ТКШ это могут быть микровольты или нановольты на градус (мкВ/° или нВ/°).
Чтобы было совсем ясно:
% – процент – это одна сотая (10-2, 0,01 или 1/100) часть какой-то величины;
%o – промилле – это одна тысячная (10-3, 0,001 или 1/1000) часть какой-то величины;
ppm (по-русски: млн-1) – это одна миллионная (10-6, 0,000001 или 1/1000000) часть какой-то величины.
Иногда от температуры характеристики радиодеталей так хитро меняются, что для них специальные графики рисуют или сложные формулы пишут.
4. А теперь поговорим о “ТК” подробнее:
ТКС – температурный коэффициент сопротивления
Резисторы делают из разных материалов.
Самые простые из них проволочные. Температурная зависимость сопротивления у них линейная, самый маленький ТКС из них имеют резисторы сделанные из константана (ТКС < 10-5) и манганина (ТКС < 2,5×10-5), поэтому их используют в измерительной технике.
Очень дешёвые резисторы углеродистые, типа С1-4 или CF. Но ТКС у них довольно большой: от +350 до минус 2500 ppm/°. Поэтому они в основном и применяются в бытовой аппаратуре, которая в комнатных условиях работает.
Металлизированные и металлоплёночные резисторы, типа С2-23, С2-33 (МЛТ, МТ старые) или MF. ТКС у них средний: от 15 до 500 ppm/°, максимум до 1200 ppm/°. Подходят для большинства применений в широком диапазоне температур.
Самые дорогие – прецизионные, типа С2-29В или RN. ТКС у них самый маленький: от 5 до 300 ppm/°. Их и применяют в измерительной аппаратуре или в ответственных местах обычной аппаратуры, где важна стабильность сопротивления при изменении температуры, например в RC – фильтрах.
В отечественных резисторах группа ТКС обозначается буквой, которую, к сожалению, указывают только на заводской упаковке. Конкретные обозначения и величины ТКС можно узнать, заглянув в справочники или в ТУ (технические условия по-нашему или ДатаШиты по-ихнему). Вот только не каждому они доступны.
Внимание! Сейчас среди импортных резисторов (как правило, неизвестного происхождения) встречается подмена понятия “Допуск номинала” – т.е. точности, с которой изготовлен резистор на заводе. В понятие “Допуск” в этом случае закладывается огромный ТКС. Имеется в виду, что сопротивление данного резистора не выйдет за пределы, к примеру, +/-10% при изменении температуры. Этот якобы “Допуск” и обозначается на резисторе. Товарищи, будьте бдительны!
Существует класс резисторов, где наоборот важен большой ТКС. Это терморезисторы или термисторы и термометры-сопротивления. Терморезисторы или термисторы (иногда встречается “позистор” – терморезистор с положительным ТКС) очень широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре в различных целях, например: защита мощных транзисторов, термостабилизация каких-либо частей схемы и т.д. Термометры-сопротивления, как правило, делаются из медной или даже платиновой проволоки и служат для точного измерения температуры в промышленности.
ТКЕ – температурный коэффициент ёмкости
ТКЕ конденсатора очень сильно зависит от материала диэлектрика между обкладками. Ведь малейшее температурное изменение толщины диэлектрика, вызывает очень большое изменение ёмкости конденсатора.
Наиболее подвержены влиянию температуры керамические конденсаторы. Так как полностью победить ТКЕ не удаётся, (а иногда, наоборот, клин клином вышибают: например, в LC-контуре, у катушки ТКИ положительный, тогда конденсатор с отрицательным ТКЕ ставят, чтобы частота настройки контура от температуры не уходила), у керамических конденсаторов очень много всяких ТКЕ имеется. ТКЕ у керамических конденсаторов настолько важен, что его на корпусе конденсатора каким-либо способом практически всегда обозначают.
Поэтому про них мы поговорим подробнее:
Отечественная система обозначений ТКЕ (в том числе старая и очень старая)
Примечание: там, где для цветового обозначения ТКЕ требуется 2 цвета, то одним из них может быть цвет корпуса.
Группы ТКЕ, обозначенные буквами “П” (плюс) и “М” (минус) имеют линейную зависимость ёмкости от температуры. Группа МП0 самая стойкая – никакое изменение температуры на ёмкость конденсатора не влияет. А вот группы ТКЕ, буквой “Н” (нелинейные) обозначенные, имеют очень хитрую зависимость ёмкости от температуры, поэтому их лучше на картинке посмотреть:
Картинка эта для примера нарисована, у разных типов конденсаторов эти “Н” и по другому могут кривиться. Главное в том, что ёмкость этих конденсаторов при изменении температуры не изменится больше, чем процентов с буквой “Н” написано.
Конденсаторы с группами ТКЕ П100 (П120), П33, М47, М75, т.е. с малыми значениями ТКЕ называют ещё термостабильными. Группа ТКЕ МП0 как уже раньше было сказано, самая термостабильная. Конденсаторы с группами ТКЕ М750, М1500 (М1300), т.е с большими отрицательными значениями ТКЕ называют ещё термокомпенсирующими (их и ставят в LC-контура для стабильности).
У буржуинов своя система обозначений, но она очень на нашу похожа. Вместо буквы “М” у них латинская буква “N”, вместо “П” – “P”. Группа МП0 у них NP0 или C0G обозначается. А вместо буквы “Н” у них целая куча всяких обозначений: Y5x, X5x, Z5x (x – обозначает какую-то из букв: F, P, S, U, V); X7R. Эти обозначения наиболее часто встречаются, но разные фирмы ещё и “фирменные” обозначения ТКЕ используют. Тут нам только ДатаШиты (справочные листы) фирменные помогут.
Чтобы нам попроще было, примерное соответствие наших и буржуинских обозначений такое:
Но в каждом случае, конечно, думать надо: “Семь раз отмерь – один раз отрежь” – пословица №1, “Доверяй, но проверяй!” – пословица №2.
Вот, сколько мороки нам керамические конденсаторы задали. С другими конденсаторами будет полегче:
Конденсаторы слюдяные – у них всего 4 группы ТКЕ имеется:
|
Группа ТКЕ |
Номинальное значение ТКЕ, ppm/ °C |
|
A |
не нормировано |
|
Б |
+/-200 |
|
В |
+/-100 |
|
Г |
+/-50 |
Полистирольные конденсаторы – ТКЕ у них от 50 до 200 ppm/ °C. У некоторых, например, К71-7 он совсем маленький (минус(60+/-80) ppm/ °C), поэтому они прецизионными являются.
Поликарбонатные конденсаторы – ТКЕ у них около +/-50 ppm/ °C.
Полиэтилентерефталатные (ПЭТФ) конденсаторы – самые известные типы из них это К73-17 и К73-44 (и старые: К73-5, К73-9). Хотя ТКЕ у них не нормирован, но, как правило, они довольно термостабильные.
А вот у полипропиленовых конденсаторов (серия К78) ТКЕ довольно большой: минус 500 ppm/ °C.
Вот тут ещё раз о бдительности: продавцы в кучу К73 и К78 сваливают, мол по размерам примерно одинаковые, да и цвет похож (синий или зелёный обычно). Кстати китайские конденсаторы, которые как аналоги К73-17 продают, чаще всего всё-таки аналогами К78 являются. Конденсаторы-то разные! Кто фильтры или генератор для НЧ делал, тот знает, как частота настройки уплывает от температуры.
У остальных видов конденсаторов ТКЕ, как правило, не нормируется.
При ремонте аппаратуры, надо (если есть такая возможность) со схемой сверятся. Обычно, когда ТКЕ важен, он обязательно указан. А если что сам изобретаешь – тут уж хозяин-барин, как сделаешь, так и работать будет.
ТКИ – температурный коэффициент индуктивности
От повышения температуры предметы расширяются. Соответственно изменяются размеры катушки. Поэтому у катушек индуктивности положительный ТКИ. Для катушек заводского изготовления он иногда нормируется, а вот с самодельными беда. Если катушка в резонансном контуре стоит, надо правильно ей в пару конденсатор подобрать. Вот тут то нам и пригодятся конденсаторы с разным ТКЕ.
ТКН – температурный коэффициент напряжения (стабилизации)
Очень важен, когда мы источник питания для какого-нибудь прибора делаем. Да и просто для аппаратуры, которая длительное время работать должна, да ещё в разных температурных условиях.
Для примера: стабилитроны Д818 – у них буква в “хвосте” обозначения как раз ТКН указывает.
ТКЧ – температурный коэффициент частоты
Кварцевые резонаторы и фильтры также выпускаются с различными ТКЧ. Это хорошо видно, например, на китайских часах (я не говорю о тех, которые от сети питаются – это вообще фатальный случай). Одни почему-то идут довольно точно, а другие, похожие, просто работают по принципу – угадай, который час.
В измерительных приборах (например, частотомерах) и аппаратуре связи за ТКЧ кварцев очень внимательно следят, иначе частотомер неизвестно что показывать будет, а сигнал передатчика потеряется на просторах мирового эфира. Для этого кварцы в специальный термостат даже помещают.
ТКЧ для кварцев иногда входит в обозначение их типа, но чаще он указан в их паспорте (или на упаковке), которые, к сожалению, весьма нелегко увидеть. Тогда очень простой совет – чем больше цифр (нулей) после запятой в обозначении частоты кварца на его корпусе (или настройки фильтра), тем ТКЧ лучше и, следовательно, данный кварц стабильнее.
ТКШ – температурный коэффициент шума
Все электронные приборы шумят. Шум происходит оттого, что имеются свободные электроны (заряды), которые состоят в Броуновском движении и постоянно митингуют. И, чем выше температура, тем митинг становится всё шумнее. В результате они начинают довольно сильно мешать основному уличному движению (полезным сигналам).
В результате мы рискуем потерять полезный сигнал и получить вместо него один шум. Вот и принимают меры по борьбе с этим шумом. Например, в маломощных усилительных транзисторах (для антенных усилителей, для входных усилительных каскадов) и в операционных усилителях шум призывают к порядку, т.е. нормируют.
Все вопросы – как обычно в Форум.
|
Как вам эта статья? |
Заработало ли это устройство у вас? |
Температурный коэффициент – напряжение – стабилизация
Cтраница 1
Температурный коэффициент напряжения стабилизации зависит от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона.
[1]
Температурный коэффициент напряжения стабилизации ( ТКН) указывает относительное изменение напряжения стабилизации при повышении температуры на 1 С.
[3]
Температурный коэффициент напряжения стабилизации зависит от напряжения стабилизации и тока через стабилитрон. Из этих зависимостей следует, что при низком напряжении стабилизации ( менее 5 В) ТКН имеет отрицательный знак и при токе около 10 мА составляет примерно – 2 1мВ / С. В достигает значения 6мВ / С.
[5]
Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН показывает, как изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры на ГС и измеряется в % / С. Коэффициент ТКН положителен для стабилитронов, работающих при относительно высоких значениях напряжения и отрицателен для низковольтных приборов. ТКН растет с ростом напряжения стабилизации.
[6]
Метод измерения температурного коэффициента напряжения стабилизации Стабилитроны и стабисторы полупроводниковые.
[7]
Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации аст. Значения этого параметра у разных стабилитронов различны.
[9]
Один из способов уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации, который используют для создания термокомпенсированных стабилитронов, заключается в последовательном соединении стабилитрона и р-п-перехода, включенного в прямом направлении. С повышением температуры падение напряжения на p – n – переходе, включенном в прямом направлении, уменьшается. Одновременно падение напряжения на обратно смещенном p – rt – переходе растет при лавинном пробое. Таким образом, у термокомпенсированных стабилитронов удается получить ничтожно малый температурный коэффициент напряжения стабилизации.
[10]
В то же время величина температурного коэффициента напряжения стабилизации от тока практически не зависит.
[11]
Важным параметром стабилитронов и стабисторов является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН ( дист / ДТ) – 100, который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры прибора на 1 С.
[13]
Важным параметром стабилитронов и стабисторов является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН ( дист / ДТ) ЮО, который показывает на сколько процентов изменится напряжение стабилизации ( AUCT) при изменении температуры ( ДТ) на 1 С. Этот параметр у стабилитронов с напряжением стабилизации более 6 В положительный, а менее 6В – отрицательный. Для уменьшения ТКН разработаны так называемые температурно-компенсированные прецизионные стабилитроны. В этих приборах путем последовательно соединенных двух или более р – n переходов с различным по знаку ТКН удается получить стабилитроны с ТКН не более 0.000 5 % / С в широком диапазоне температур. Такие стабилитроны применяются в ис – – точниках эталонного напряжения вместо нормальных элементов. Ряд стабилитронов используется в импульсных режимах и применяется для стабилизации амплитуды импульсов, их ограничения, а также для защиты входов чувствительных устройств от перегрузок по напряжению. Наряду со стабилитронами, имеющими несимметричную ВАХ, выпускаются двуханодные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ. Они применяются в качестве элементов для двустороннего ограничения напряжения и могут использоваться так же и как опорные стабилитроны.
[14]
Тепл – их тепловое сопротивление; ТКи – температурные коэффициенты напряжения стабилизации.
[15]
Страницы:
1
2
3
Стабилитроны. Основные параметры стабилитронов. Расчет схемы параметрического стабилизатора напряжения
Страницы работы
Фрагмент текста работы
8.4 Стабилитроны
Стабилитрон
это полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания неизменного уровня постоянного
напряжения вне зависимости от величины протекающего тока (в заданных пределах).
Для этого
используется участок лавинного пробоя ВАХ, который возникает при подаче на
стабилитрон определенного значения обратного напряжения (рис. 8.4.1). За счёт
легирующих добавок в полупроводник ток лавинного пробоя может изменяться в
широком диапазоне, не переходя в необратимый тепловой пробой.
|
Рабочий Основные – номинальное напряжение – номинальный ток стабилизации IСТ.НОМ; – минимальный ток стабилизации IСТ.MIN (при котором начинается стабилизация); – максимальный ток стабилизации IСТ.MAX (его – дифференциальное сопротивление rДИФ (или – допустимая мощность рассеивания PMAX(для расчета радиаторов отвода тепла); – температурный коэффициент напряжения стабилизации aСТ, ( %/°С).– максимально допустимая температура
|
|
Примеры значений параметров стабилитронов
Таблица 8.4.1
|
Тип прибора |
UСТ.НОМ, |
PMAX , |
Значения параметров при Т = 25º С |
Предельные значения параметров при Т |
ТK MAX, º С. |
|||||
|
UСТ.MIN, |
UСТ.MAX, |
rСТ, |
rСТ, |
aСТ, %/°С |
IСТ.MIN, |
IСТ.MAX, |
||||
|
2С107А |
0,7 (10) |
125 |
0,63 |
0,77 |
7 |
50 |
-34 |
1 |
100 |
125 |
|
2С133Б |
3,3 (10) |
100 |
3,0 |
3,7 |
65 |
180 |
-10 |
3 |
30 |
125 |
|
КС156А |
5,6 (10) |
300 |
5,04 |
6,16 |
46 |
160 |
-5…+5 |
3 |
55 |
125 |
|
2С182Ж |
8,2 (4) |
150 |
7,8 |
8,7 |
40 |
2000 |
8 |
0,5 |
18 |
125 |
|
КС182Ж |
8,2 (4) |
125 |
7,4 |
9,0 |
40 |
2000 |
8 |
0,5 |
15 |
125 |
|
Д810 |
10,0 (5,0) |
280 |
9,0 |
10,5 |
12 |
9,0 |
3,0 |
26 |
125 |
|
|
КС533А |
33,0 (10) |
640 |
30,0 |
36,0 |
40 |
100 |
10 |
3 |
17 |
125 |
|
КС591А |
91,0 (1,5) |
1000 |
86,0 |
96,0 |
400 |
12 |
1 |
8,8 |
125 |
|
|
2С980А |
180,0 |
5000 |
162,0 |
198,0 |
220 |
1500 |
16 |
2,5 |
28 |
125 |
Температурный
коэффициент напряжения стабилизации (ТКН):
где: UСТ – напряжение
стабилизации при номинальной температуре 25º С, DUСТ – алгебраическая
разность между напряжениями стабилизации при заданной и номинальной
температурах, DТ – алгебраическая разность между заданной и
номинальной температурами.
Сопротивление rДИФ
и ТКН могут быть как положительными так и отрицательными.
Стабисторы,
как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Рабочим участком
у них является прямая ветвь вольтамперной характеристики (рис. 9.4.1). Это
позволяет стабилизировать малые напряжения (0,35…1,9 В). Основные параметры и
условные обозначения стабисторов такие же, как у стабилитронов.
Стабилизатор
напряжения
Стабилизатор напряжения (тока) – устройство,
включаемое между источником и потребителем, автоматически поддерживающее
постоянным напряжение (ток) потребителя с заданной степенью точности при
изменении дестабилизирующих факторов в заданных пределах. Основными
дестабилизирующими факторами являются колебания входного (питающего)
напряжения, изменения потребляемой мощности, температуры окружающей среды и
др.
Параметрический стабилизатор –
стабилизатор, в котором стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет
включения нелинейного элемента (стабилитрона), имеющего соответствующую вольтамперную
характеристику. В стабилизаторах напряжения нелинейный элемент включают
параллельно нагрузке, в стабилизаторах тока – последовательно с нагрузкой.
Простейший диодный стабилизатор
параллельного типа (рис. 8.4.2, а) представляет собой делитель напряжения,
состоящий из балластного сопротивления RБ
и стабилитрона VD,
параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН.
Схема замещения стабилизатора (рис. 8.4.2,
б) отражает зависимость UСТ от тока IСТ
(рис. 9.4.1) из-за падения напряжения на сопротивлении rДИФ
при неизменном UСТ.ЭКВ.
Рис. 8.4.2 Параметрический стабилизатор (а) и его
схема замещения (б)
При изменении входного напряжения UВХ
±
DU
изменяется общий ток IБ
(рис.9.4.3).
|
Однако это не приводит к Аналогично, |
Рис. 8.4.3 |
Основным
показателем, характеризующим работу стабилизатора, является коэффициент
стабилизации напряжения КСТ,
показывающий, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе
стабилизатора DUН/UН
меньше относительного изменения напряжения на его входе DUВХ
/UВХ:
(8.4.4.1)
Как следует из формулы, коэффициент
стабилизации повышается с увеличением балластного сопротивления RБ.
Увеличение RБ
в свою очередь, вызывает необходимость увеличения входного напряжения для
сохранения тока через стабилитрон в определенных пределах. Практически для
достижения максимального КСТ достаточно взять
Похожие материалы
- Сумматоры: Задания на лабораторную работу 2.1 по дисциплине “Электроника”
- Схемы на операционных усилителях (Лабораторная работа 6.2)
- Управляемые выпрямители: Задания на лабораторную работу 5.5 по дисциплине “Электроника”
Информация о работе
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание – внизу страницы.
