Напівпровідники. Що це таке? (початок)


Статью просмотрели: 654 человек

 

Доброго здоров'я, шановний читачу. Сьогоднішнім дописом починаємо розгляд активних компонентів. Це досить велика група компонентів, для розгляду якої знадобиться декілька сходинок. До неї належать діоди, транзистори, мікросхеми. В їхню основу покладено напівпровідники. Тож яким чином забезпечуються їхнє функціонування? Чому? Як напівпровідники проводять струм? Відповіді на ці запитання спробуємо з'ясувати саме у цьому, узагальненому дописі стосовно теорії напівпровідників.

Попередні матеріали сміливо можна віднести до розділу електротехніки, навіть шкільний курс фізики, у розділі електрика, передбачає розгляд того, що таке електричний струм, опір, ємність, індуктивність. Тож ці матеріали були розглянуті побіжно, без якихось особливих теоретичних наголосів.

Відсьогодні усе зміниться, бо ми переходимо до розгляду основ саме електроніки. Вкотре повторюся – можна сліпо збирати готові, відомі схеми, але для того, щоб розуміти що, і для чого ви робите, створювати власні конструкції, без розуміння теоретичних основ не обійтись.

Подальші матеріали нададуть вам можливість попрацювати головою, увімкнути уяву, свої аналітичні здібності. Тож уперед на штурм "електронного євересту".

У практичній частині, візьмемося за реалізацію проекту простого джерела живлення аматора-початківця. Звісно, можна для подальших експериментів використовувати батарейки чи акумулятори, але вважаю це економічно невиправданим.

----------------------------------------------

Найбільш важливі та, мабуть, найцікавіші елементи електроніки, які у наш час набули широкого застосування, базуються саме на напівпровідникових матеріалах. Електронні компоненти, такі як діоди, тиристори, транзистори, термістори, фотоелектричні елементи, фото-транзистори, фото-резистори, лазери, інтегральні мікросхеми, мікроконтролери та ін., виготовлені із застосуванням саме напівпровідникових технологій.

Винахід p-n переходу став революцією в електроніці. Він вивів електроніку на якісно новий рівень. Мені інколи здається, що навіть самі винахідники, у найсміливіших прогнозах, не очікували таких наслідків, бо втілення напівпровідникових елементів проходило поступово і без особливого апломбу. Це дещо нагадує винахід зв'язкових мереж, відомих нам сьогодні як Інтернет, котрий призвів буквально до перевороту в інформаційному просторі.

Згадка про напівпровідники, якщо ви пам'ятаєте, зустрічалася у першій частині вступу. Повторюся: це матеріали, які набувають властивостей провідників під впливом зовнішніх чинників або домішок.

Давайте детальніше розглянемо фізику процесу. Ні, ми не будемо надто заглиблюватися у теорію енергетичних рівнів, а спростимо її до суті розуміння процесу.

01- Провідна зонаУтворення вільних електронів та "дірок"

Найбільш доступним для розуміння зовнішнім чинником є температура, тож її і візьмемо за основу при розгляді цього питання. Отже при температурі наближеній до абсолютного нуля валентні електрони знаходяться на своїх орбітах і міцно пов'язані з атомами. За таких умов у напівпровіднику відсутні вільні електрони і він є ідеальним діелектриком. При нагріванні напівпровідника валентні електрони отримують додаткову енергію і можуть долати заборонену зону (ЗЗ), тобто відриватися від атома (Мал.1). Отримавши її вони переходять до зони провідності (ЗП), енергетичний рівень якої вищий від валентної зони (ВЗ). Таким чином вільні електрони отримують можливість рухатися у напівпровіднику, беручи участь в утворенні електричного струму. Чим більша кількість вільних електронів у матеріалі, тим менший його опір. Це одна із найяскравіших рис напівпровідників – з ростом температури падає питомий опір.

Отже, зрозуміли – чим вища температура, тим більша кількість вільних електронів у зоні провідності. Чим більша кількість електронів у зоні провідності, тим менший опір напівпровідника. Чим менший опір напівпровідника, тим більший струм через напівпровідник. Увага! процес зав'язаний. Чим більший струм через напівпровідник, тим швидше росте його температура! Продовжимо.

02- Ковалентний зв'язокАтоми у кристалі напівпровідника пов'язані ковалентним зв'язком (Мал.2). Це коли два електрони, які належать двом сусіднім атомам обертаються по спільній орбіті. Однокомпонентні напівпровідники (бувають ще й двохкомпонентні, трикомпонентні) германій та кремній – чотирьохвалентні елементи, їхні атоми мають по 4 валентні електрони на зовнішній орбіті. Внаслідок утворення парних ковалентних зв'язків усі атоми цих напівпровідників завжди стабільно взаємопов'язані.

 

04- Кристалічна решітка з дірками03- Кристалічна решітка кремніюПласку схему кристалічної решітки напівпровідника можна відобразити наступним чином (Мал.3). На ній ви бачите атоми кремнію і у кожного по чотири валентні електрони пов'язані ковалентним зв'язком із сусіднім атомом. А от на наступному малюнку (Мал.4) та ж сама кристалічна решітка із електронами, які залишили свої зв'язки і перейшли у "вільне плавання", тобто до зони провідності.

Якщо звернете ще раз увагу на Мал.1 та порівняєте його з Мал.4 то помітите деяку схожість, а саме – електрони перейшли на інший енергетичний рівень, стали вільними. А от місця ковалентних зв'язків, їхніх валентних рівнів, які вони покинули, лишилися вільними – утворилися так звані – "дірки".

Утворення вільних електронів у зоні провідності та дірок у валентній зоні називають генерацією рухомих носіїв заряду або ж генерацією пар електрон-дірка, бо коли електрон з'являється у зоні провідності це обов'язково супроводжується з'явленням дірки у валентній зоні.

Вільний електрон, коли він втрачає частину своєї енергії, повертається із зони провідності до валентної зони, зайнявши вільне місце у якійсь із дірок. Звісно, при цьому відновлюється ковалентний зв'язок. Цей процес називається рекомбінацією пари електрон-дірка, він завжди призводить до ліквідації рухомих носіїв заряду.

Електронний та "дірковий" струм у напівпровідниках  

При певній сталій температурі у напівпровіднику завжди існують розірвані ковалентні зв'язки, тобто якась невеличка кількість вільних електронів та відповідна їм кількість дірок. Якщо до такого напівпровідника приєднати джерело ЕРС, вільні електрони, під дією утвореного електричного поля, будуть рухатися у напрямку позитивного полюса, створюючи певний електричний струм. До того ж з'являтимуться й нові вільні електрони, які залишатимуть свої ковалентні зв'язки переходячи до зони провідності утворюючи нову пару, а також "ослаблі" електрони, що повертатимуться на нижчий енергетичний рівень заповнюючи якісь вільні дірки. При цьому в одному місці дірка зникає, а в іншому, де електрон вискочив на вищий рівень, з'являється. Тож у напівпровіднику рухаються не лише електрони, а й дірки. Електричний струм у напівпровіднику має дві складові: електронну, яка є рухом вільних електронів та діркову, яка є наслідком переміщення дірок. Дірка має умовний позитивний потенціал, що дорівнює заряду електрона. Тож "позитивні" дірки рухатимуться убік негативного полюсу.

У виробництві напівпровідникових елементів використовуються такі матеріали, як вуглець, германій, кремній. Це однокомпонентні напівпровідники з яких найбільш вживаним став кремній, завдяки своєму поширенню, унікальній структурі, надзвичайно корисними властивостям для створення електронних компонентів. Як напівпровідники використовуються і більш складніші сполуки: сульфід кадмію, різноманітні селеніди, арсенід галію і дуже, дуже багато інших.

Напівпровідники які складаються лише з атомів основної речовини називаються чистими, а їхня електропровідність, яка обумовлена лише власними парами рухомих носіїв заряду – власною електропровідністю.

Кремній

Кремній посідає друге місце в порядку елементів, які зустрічаються у земній корі, його вміст сягає в середньому 27 відсотків. За оцінками дослідників, кубічна миля морської води містить близько 15 000 тонн кремнію. Та у чистому, кристалічному вигляді його практично не існує, тобто увесь кремній зустрічається у вигляді сполук. Отже перш 05- Монокристал кремніюніж використовувати кремній, його відокремити від зв'язаних із ним елементів. Після хімічного очищення із розплаву чистого кремнію вирощують кристал. Саме такий монокристал ріжеться на пластинки з яких виготовляються остаточні електронні компоненти.

Для конструкторів напівпровідникових приладів пластина чистого кремнію є просто базою. Кремній у чистому вигляді в електроніці практично не використовується, він не має тих необхідних властивостей. Чистий кремній майже ізолятор, бо його власна електропровідність надзвичайно мала. А розробникам напівпровідникових елементів потрібно, щоб цей матеріал реагував на якісь зовнішні сили, скажімо, на прикладену напругу. Тож для цього, до певних ділянок пластинки кремнію додають потрібні сторонні домішки, які змінюють властивості кремнію до бажаного рівня. Такий процес називається легуванням.

Легування (домішки)

Легування кремнію проводять за допомогою або дифузії, або імплантації. Леговані ділянки пластинки кремнію набувають властивостей потрібних для подальшого створення електронних компонентів. Для легування, як домішки, застосовують різноманітні речовини: сурма, миш'як, алюміній, галій, індій та ін. Сторонні домішки надають кремнію специфічних властивостей – покращують його частотні характеристики, зміцнюють його, збільшують термічну стійкість та багато іншого. Втім, існують два інгредієнти, які мають принципове значення для конструкторів напівпровідникових компонентів – бор і фосфор.

Якщо кремнієву пластинку легувати бором чи фосфором, її електропровідні характеристики різко змінюється. Адже чиста кремнієва пластина містить мізерну кількість вільних пар і практично усі чотири його валентні електрони пов'язані ковалентними зв'язки із сусідніми атомами, до того ж, здатні миттєво рекомбінувати, адже навіть тій незначній кількості вільних електронів відповідає та ж сама кількість вільних дірок (Мал.4). При такому об'ємі носіїв заряду прикладена зовнішня напруга не матиме суттєвого впливу на утворення потоку електронів через пластинку.

 

Леговані напівпровідники n-типу

n-кремній06- Кристалічне решітка n-кремніюВтім, якщо до кремнію додати фосфор, відбуваються дуже цікаві зміни. На відміну від кремнію, фосфор має п'ять валентних електронів. Четверо з них утворюють ковалентні зв'язки з валентними електронами чотирьох сусідніх атомів кремнію (Мал.5). А п'ятий лишається вільним, він не має "своєї" дірки, тож достатньо незначного зовнішнього чинника, щоб він подався у мандри між атомами. Отже, якщо до пластинки легованої фосфором прикласти напругу, незв'язані електрони створять направлений потік у бік позитивного полюсу джерела живлення, тобто – електричний струм. Чим більша кількість домішки фосфору у пластинці кремнію, тим більший матимемо потік електронів. Електричний струм у такому кристалі забезпечений виключно електронами у провідній зоні, адже навіть та незначна кількість дірок яка, теоретично, існує, може бути заповнена завдяки надмірній кількості вільних електронів, тож струм за рахунок дірок незначний.

Отже основні носії заряду у пластинці легованій таким чином – частинки з негативним зарядом електрони, неосновнідірки.

Кремній, легований фосфором, називається кремнієм n-типу (від латинського negative), домішки, які призводять до утворення кремнію n-типу називають донорами.

 

Леговані напівпровідники p-типу

07- Кристалічне решітка p-кремніюА от якщо взяти пластинку чистого кремнію і додати бору, будемо спостерігати абсолютно протилежний ефект провідності. Бор, на відміну від кремнію чи фосфору, має лише три валентні електрони. Коли його змішати з кремнієм, усі три валентні електрони будуть пов'язані із сусідніми атомами кремнію (Мал.6). Отже, в межах ковалентного зв'язку між атомом бору та одним атомом кремнію з'явиться вакантне місце – вільна дірка. Якщо до такої пластинки кремнію, легованої бором, прикласти напругу, дірки почнуть переміщатися до негативного полюсу джерела живлення, адже збурені електричним полем найближчі електрони почнуть перескакувати на сусіднє вільне місце залишаючи своє. Дірки розглядаються як позитивні носії струму, навіть якщо вони не мають фізичного заряду. Тут слід враховувати те, що дірка має позитивний заряд завдяки незбалансованості зарядів між протонами ядра атома кремнію, який отримує дірку з відсутнім електроном у зовнішній орбіті. Чистий заряд атома кремнію з діркою є позитивним на величину заряду, еквівалентну одному протону. Отже електричний струм у такому кристалі забезпечується головним чином за рахунок переміщення дірок у валентній зоні і зовсім несуттєвою мірою рухом вільних електронів у провідній зоні. Тож основні носії заряду в ньому "умовні частинки", що мають позитивний заряд – дірки, неосновніелектрони.

09- p-кремнійКремній, легований таким чином, називають кремнієм p-типу (від латинського positive), а домішки такого типу називають акцепторами.

Підсумовуючи сказане вище, зробимо висновок: як кремній n-типу, так і p-типу мають здатність проводити електричний струм; просто в одному типі кристалу основним носієм заряду є надлишкові вільні негативні електрони (n-тип кремнію), а в іншому – надлишкові позитивні дірки (p-тип кремнію).

Застосування кремнію

Можливо, у вас виникне запитання, а чим ці два типи кремнію (n-тип та p-тип) такі корисні та цікаві? Яка від них користь розробникам напівпровідникових компонентів? Чому навколо них така метушня? Ці кристали легованого кремнію є провідниками. Ну то й що? Хіба на світі існує мало провідників?

Так, у нас тепер є два нових провідника, але у цих двох провідників є дві унікальні особливості проведення електричного струму – один робить це за допомогою дірок, інший – за допомогою електронів. Це надзвичайно важливо.

Особливо важливо для створення електронних компонентів, таких як діоди, транзистори, сонячні елементи. Дуже важливі особливості способів проведення струму каналами n-типу та p-типу. Конструктори люди винайшли способи легування потрібних ділянок, виготовлення слоїстих кристалів з кремнію n-типу та p-типу таким чином, що під час прикладення до комбінацій цих структур зовнішньої напруги спостерігаються унікальні та надзвичайно корисні властивості. Ця унікальність стала можливою завдяки взаємодії потоку дірок та потоку електронів між напівпровідниками n- та p-типу. Використовуючи ці нові конструктиви, розробники створили односторонні ворота для потоку струму, відкриття та закриття яких відбувається зовнішніми сигналами управління. З'ясували, що на межі ділянок n- і p-типу, при легуванні певними елементами, можна отримати світло, тобто потік фотонів, який генерується електронами, що немовби перестрибують через межу між ділянками. Також з'ясували, що цей процес може бути зворотним. Тобто, коли світло опромінює межу p-n переходу, це ініціює рух електронів, тож виникає електричний струм.

Отже на підставі вищенаведеного можна зробити висновок, що напівпровідники чутливі до електричного поля і така чутливість використовується у напівпровідникових елементах: діоди, тиристори, транзистори та ін.

Вони чутливі до світлового опромінення, цей ефект використовується для виготовлення фоторезисторів, фотоелементів та ін.

Ще напівпровідники відрізняються високою чутливістю до магнітного поля, що використовують для виготовлення магніторезисторів та інших магніточутливих елементів виготовлених із напівпровідників.

Чутливість до температури використовується для виготовлення термочутливих елементів.

Назвіть мені хоча б один провідник із сімейства металів, який би мав такі можливості. Мабуть саме цими характеристиками і обумовлена популярність і поширення напівпровідників.

Цілий ряд корисних електронних компонентів було розроблено з використанням комбінацій n-p переходів. Деякі з них ми розглянемо у наступних дописах. А поки-що:

P-N перехід

Давайте трохи підглянемо, що ж там робиться, на тому переході.

У двох відокремлених легованих ділянках, як n- так і p-типу створюється певна рівновага і тому вони електрично нейтральні. Адже у стані рівноваги негативний заряд іонів-акцепторів скомпенсований позитивним зарядом дірок, а позитивний заряд іонів-донорів – негативним зарядом вільних електронів.

Для спрощення графіки опустимо кристалічну решітку. Негативні іони-акцептори p-ділянки  позначимо значком "–", а дірки, які мають позитивний заряд значком "+". І навпаки, позитивні іони-донори n-ділянки значком "+", а електрони значком "–".

Тепер з'єднаємо ці леговані ділянки так, щоб вони мали спільну межу. Електрони, як рухомі частинки з n-ділянки попрямують до p-ділянки і навпаки, надлишкові дірки з p-ділянки подадуться до n-ділянки, відбудеться дифузія основних носіїв заряду з їхньою рекомбінацією. Цей процес має назву дифузійний струм. Він не безкінечний, адже іони домішок не можуть рухатися, вони міцно вросли у структуру матеріалу і пов'язані ковалентними зв'язками з кремнієм. Тож на межі ділянок утвориться енергетичний бар'єр із різнойменними зарядами, який має назву дифузійне поле. Це поле і створює гальмівний ефект на подальшу дифузію основних носіїв заряду з однієї ділянки в іншу.

Паралельно із цим відбувається ще один процес. Неосновні носії заряду зі свого боку теж утворюють цілеспрямований рух і називається він дрейфом неосновних носіїв заряду. А як нам уже відомо, неосновні носії заряду кожної ділянки мають потенціал протилежний основним. І при відсутності зовнішніх чинників потенційний бар'єр на межі ділянок сягне такої величини, при якій дифузійний струм буде повністю компенсований дрейфовим, тож результуючий струм стане нульовим.

Який же із цього можна зробити висновок? Якась зона, в обидва боки від місця контакту легованих ділянок, міститиме чітко розмежовані прошарки різнойменних об'ємних зарядів, які утворюються негативними та позитивними іонам атомів домішок. У цій зоні практично відсутні рухомі носії зарядів – електрони та дірки. Як наслідок, цей простір прошарків має дуже великий опір і називають його зоною об'ємного заряду, а найчастіше просто – p-n переходом.

Мабуть це і все стосовно переходу. Трохи складніше ніж двома словами, але досить коротко, не вдаючись у особливі теоретичні подробиці. Розуміння фізики явищ на межі легованих ділянок полегшить усвідомлення процесів, які відбуваються у напівпровідникових компонентах, за розгляд теорії функціонування та практичного використання яких ми візьмемося починаючи з наступного допису.

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

про джерело живлення

Я довго не міг вирішити, яке джерело живлення запропонувати для самостійного виготовлення аматору-початківцю, адже схемних рішень такого рівня безліч. Але ж через декілька дописів я запланував сходинку в якій цілеспрямовано розглянемо джерела живлення. Дізнаємося, які вони бувають. Зупинимося на лінійних джерелах живлення. Дізнаємося, як випрямляється змінний струм, які потрібні трансформатори, як його виготовити. Детально розглянемо схеми стабілізації напруги. Ознайомимося зі схемами стабілізації струму та електронними запобіжниками.

Тож, я гадаю, зараз немає сенсу витрачати кошти на придбання трансформатора і додаткових компонентів. Наша задача на сьогодні – забезпечити себе для подальших дослідів постійною напругою, бажано з можливістю регулювання. Нам потрібне лише зовнішнє джерело постійної напруги та її регулятор. А при такому розкладі, з якого б боку я не підходив усі шляхи вели до того, що найліпшим варіантом буде виготовлення регулятора на інтегральному лінійному стабілізаторі (ІЛС) LM317. Його назвемо базовим модулем.

По-перше. Реалізація такого базового модуля регулятора надзвичайно проста.

По-друге. Комплект компонентів для нього досить дешевий.

По-третє. Сам по собі ІЛС LM317 – це закінчений електронний пристрій, який має лише три виводи (вхід, вихід та управління) і реалізований у знайомому нам корпусі типорозміру ТО-220.

По-четверте. Виготовивши собі таке джерело живлення, навіть на рівні базового модуля, ви вже матимете цілком надійний блок живлення із можливістю регулювання  постійної напруги від 1.2∻1.3 до рівня максимальної напруги джерела мінус 3 В та максимальним струмом вхідного живлення, або 1.0-1.5 А, якщо джерело здатне на більший струм.

І, нарешті, по-п'яте. Я недарма назвав цей модуль "базовим", бо на його основі, за допомогою різноманітних додатків, можна створити цілком пристойний лабораторний БЖ (блок живлення) з регульованою постійною напругою від 0 до 30 В та максимальним струмом на який буде здатен ваш трансформатор. Зі стабілізацією струму практично від 0 до максимально дозволеного струму трансформатора.

Де взяти зовнішнє джерело постійної напруги? Перш за все, уважно пригадайте, а чи немає, часом, у вас такого джерела. Такі блоки використовуються для живлення систем зарядки акумуляторів побутових електроінструментів, живлення модемів, ноутбуків чи ще якоїсь побутової техніки. Найліпше, якщо напруга такого блока буде вольтів 12, можна більше. Адже максимальна вхідна напруга нашого регулятора сягає  майже 40 В. Використаний зовнішній блок живлення не втратить свого функціонального призначення і не потребує ніякої переробки. Основне, чим вам його слід доповнити, це гніздова частина штекера для під'єднання до регулятора. Найчастіше такі блоки живлення мають штекер розміром 5.5х2.1 (де перша цифра – зовнішній діаметр, а друга діаметр отвору штекера), тож і гніздову частину слід підібрати такого ж розміру. Втім, будьте уважні, можливі варіанти, скажімо – 5.5х2.5. Гнізда існують як для встановлення на стінку корпуса, так і для розпаювання на друковану плату, бувають прохідні з дротяними відводами, або такі, що закінчуються терміналом для приєднання дротів.


Якщо у вашого блока живлення інший з'єднувач, гадаю, підібрати відповідну йому частину буде не складно.

Тож почнемо.

ІЛС LM317 широко відомий як конструкторам електронних пристроїв, так і аматорам. В інтернеті ви можете прочитати, стосовно нього, дуже багато негативних відгуків. Так, слід визнати, він має певні недоліки стосовно критичності яких можна посперечатися, але ж вони перекриваються масою переваг. Втім, дійсно корисних зауважень, там мізерна кількість. Основну масу негативних відгуків складають дописи людей які не зовсім зрозуміли, що таке ІЛС LM317, не знають його можливостей і намагаються отримати від нього те, на що він не здатен!

Отже, перш ніж ознайомлюватися з проектом та приступати до його реалізації, зробимо коротенький побіжний огляд можливостей ІЛС LM317 та з'ясуємо для себе на що він здатен. Все, що я далі напишу стосовно ІЛС, не моя думка, а аналіз технічної інформації виробників. Тож придбаваючи собі такий регулятор звертайте увагу на його виробника та додаткові літери індексу, що стоять після цифри 317. Звіряючи його характеристики на підставі технічного паспорта елемента (Datasheet).

От скажімо, узагальнена диференційна зона ІЛС сягає 40 В, а LM317HV від Texas Instruments має 60 В, тож він здатен регулювати напругу від 1.25 до 57 В.

Ми звернемо свою увагу на виріб від STMicroelectronics. Досить знаний виробник напівпровідникових компонентів. Його ІЛС LM317 мають на корпусі наведене фірмове позначення з двох стилізованих літер ST.

Отже диференційна зона напруги входу-виходу ІЛС 40 В, він здатен стабілізувати напругу в межах 1.25-37 В. Гарантований струм 1.5 А, втім максимальний струм має внутрішнє обмеження. Давайте зупинимося детальніше.

На графіку, з технічного паспорта (Datasheet) ІЛС LM 117-317, бачимо, що при температурі 25°С та падінні напруги від 5 до 12 В ІЛС здатен забезпечити струм навіть більше за 2.0 А. Далі крива прямує вниз і вже при падінні 30 В, та тій же самій температурі максимальний струм становитиме лише 600 мА. Зі збільшенням температури ці показники трохи змінюються, що добре видно з графіка, який відповідає 150°С.

Я не даремно вираз "падіння напруги" виділив курсивом. Хочеться ще раз повернутися до пояснення цього явища. Вперше ви почули про нього у дописі стосовно резисторів. Це найпростіше для розуміння. Кожен резистор має опір, який створює перепону на шляху струму. Струм чимдужче намагається подолати цю перепону, втрачаючи при цьому свою силу. Сила затрачена струмом на подолання опору виділяється у вигляді тепла. А ми знаємо, що струм та напруга пов'язані прямою залежністю. Чим більшої втрати зазнає струм, тим більше падає напруга. Це стосовно резистора.

Кожна ділянка схеми, кожен ланцюг, кожен елемент створює опір струмові. Тобто вона є своєрідним резистором для струму, отже між будь-якими двома точками ланцюга, які ми оберемо у якості опорних, буде існувати падіння напруги. Більше, чи менше, це буде залежати від опірних характеристик обраної нами ділянки ланцюга. Відповідно, ця ділянка зазнаватиме нагріву, температура якого буде залежати від величини струму, що прямує крізь неї.

Наш ІЛС є звичайною ділянкою кола з точки зору взаємодії елементів і на ньому теж відбуватиметься падіння напруги та виділення тепла.

Основна задача ІЛС – стабілізація напруги. Тобто він призначений для підтримання стабільної вихідної напруги на рівні заданому користувачем не залежно від коливань її на вході чи навантаження на виході. Але на відміну від типових фіксованих ІЛС, таких як LM7805 (5 В), LM7812 (12 В) та інших, він дозволяє гнучко встановити напругу стабілізації. Саме ця характеристика і надає можливість використовувати його як регулятор-стабілізатор. Втім, у цьому є певні складнощі.

Давайте уявімо собі стабілізатор на фіксованому ІЛС для отримання стандартного значення напруги 5 В. Для того, щоб забезпечити йому можливість підтримувати стабільну напругу на виході, вхідна напруга повинна перевищувати вихідну на 1.5-3.0 В, в залежності від типу ІЛС, тобто, бути вищою ніж максимальна вихідна напруга стабілізації. При напрузі виходу фіксованого ІЛС 5 В, візьмемо напругу входу 8 вольтів. Тобто на стабілізаторі падає 3.0 В напруги, отже при максимальному струмі споживача 1.5 А на ньому буде розсіяно 4.5 Вт потужності, яка виділятиметься у вигляді тепла, що призведе до нагрівання стабілізатора.

Тепер давайте спробуємо змоделювати аналогічну ситуацію з універсальним ІЛС LM317. Скажімо, ми хочемо мати блок живлення з можливістю регулювання напруги від 1.25 В до 30.0 В. Отже нам потрібне джерело постійного струму з напругою не меншою за 33 В. Припустимо, воно у нас є. Виставимо важелем потенціометра напругу на виході 5.0 В, навантаження споживає струм 1.5 А. От тепер уважно! Вихідна напруга стабілізатора відрізнятиметься від вхідної 33 – 5 на 28 вольтів. Це і буде напругою падіння на ІЛС. При струмі 1.5 А він змушений буде розсіяти 42 Вт потужності. А це призведе до його перегріву.

Внутрішній диференційний захист не дозволить кристалу ІЛС нагрітися вище 150°С, він почне спрацьовувати захищаючи стабілізатор від перегріву. До речі, цей же самий захист спрацює і при короткому замкненні на виході ІЛС, щоправда у такому режимі довго перебувати він не може, адже критична температура його нагріву – 300°С.

Про методи охолодження поговоримо трохи пізніше, хоч один із них ви уже знаєте – застосування радіатора.

Наведені вище абзаци стосовно падіння напруги було написано для того, щоб ви зрозуміли: перше – нюанси застосування універсального ІЛС, друге – нагрівання стабілізатора відбувається саме із-за величини падіння напруги на ньому, бо "зайвій" енергії потрібно десь діватися, тож вона і розсіюється у вигляді тепла. І графік наведений вище стосується саме режиму роботи стабілізатора при певному падінні напруги. А його крива відображає межу критичного вимкнення.

Не забувайте! Експлуатація будь-якого напівпровідникового компоненту на межі максимальних параметрів критично знижує його живучість! Я дотримуюсь золотого правила 50-70. Тобто, будь-який параметр експлуатації напівпровідникового елементу не повинен перевищувати 50, максимум 70% його максимальних можливостей. Наприклад, максимальна дозволена температура LM317 складає 125°С, отже, його робоча температура, у відповідності з правилом 50-70, не повинна перевищувати 63‑88°С. Найліпший ККД стабілізатора у межах падіння напруги 5-12 В, струм сягає 2.25 А, отже, максимальний струм, в такому разі, не повинен перевищувати 1.5 А. Гадаю це зрозуміло.

Отже з падінням напруги ми розібралися, зрозуміли можливості універсального ІЛС LM317, зрозуміли, що за крива намальована на графіку. Ідемо далі.

Методи утримання падіння напруги в межах 5-12 В при повному діапазоні регулювання вихідної напруги існують. Також існують і способи збільшення максимального струму регулятора-стабілізатора. Ми їх розглянемо пізніше.

Продовження статті за посиланням.

Комментарии к статье

Отсутствуют
  • Вы, клиент нашего интернет-магазина? Войдите чтобы оставить комментарий
    Войдите
    Впервые в интернет-магазине? Чтобы продолжить вам нужно зарегистрироваться, это займет несколько минут
    Зарегистрируйтесь
Наверх