أخبار التكنولوجيا

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge


تم تنظيم هذه المجموعة من الملاحظات على إلكترونيات الطاقة على النحو التالي:

  1. النهج الرياضي للمشكلة
  2. تنفيذ الحل في بيئة الحوسبة Mathematica1-2
  3. التفسير المادي للنتائج التي تم الحصول عليها. لن يتم تضمين رمز Mathematica هنا ، حيث من الممكن استخدام أداة برمجية مكافئة.

متطلبات قراءة هذه الدروس هي المعرفة الأساسية للهندسة الكهربائية.3

انهيار SiC / GaN مقابل Si / Ge

لنفترض أنه يتعين علينا حل مشكلة مقسمة إلى النقطتين التاليتين:

  1. فسر ظاهرة الانهيار لثنائيات WBG ، مبررًا الرسوم البيانية الموضحة في الشكل 1 والشكل 2
  2. بأي معيار يمكن تقدير δV في الشكل 3 حتى لا يتم المساس بخاصية تثبيت الصمام الثنائي زينر؟
الشكل 1: مخطط جهد الانهيار لثنائي Si / Ge
الشكل 2: مخطط جهد الانهيار لثنائي SiC / GaN.
الشكل 2: مخطط جهد الانهيار لثنائي SiC / GaN
الشكل 3: تحديد δV للديود Si.
الشكل 3: تحديد δV للديود Si

حل السؤال 1

يمكننا أن نتذكر مرة أخرى خاصية الجهد والتيار المعطاة بالمعادلة التالية:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

ل ت> 0 يكون الصمام الثنائي في وضع الجهد الأمامي ، بينما v < 0 يكون في الجهد العكسي ، أو المنع، وضع. في وضع الجهد العكسي لدينا:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

في هذه الحالة ، الموصلية الديناميكية4 من الصمام الثنائي يكاد يكون صفرًا (مقاومة ديناميكية لانهائية). من خلال الزيادة التدريجية لجهد التحيز العكسي ، فإن عملية توليد حامل الشحنة “تنفجر” إلى فرادات (على الأقل من الناحية النظرية):

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

حيث قيمة العتبة الخامسب < 0 هو جهد الانهيار، أي الجهد الذي يزداد عنده تيار التشبع العكسي بشكل كبير. يتم تفسير هذا السلوك الفردي من خلال آليتين:

  1. تكاثر الانهيار الجليدي
  2. تأثير زينر.

يحدث تكاثر الانهيار الجليدي بسبب كسر الروابط التساهمية الناتجة عن زيادة شدة المجال الكهربائي. تولد أزواج الإلكترون / الثقوب المقابلة التي تم إطلاقها من خلال اصطدام أيونات الشبكة أزواجًا جديدة ، وهكذا.

تأثير Zener ، من ناحية أخرى ، لا يتضمن أيونات شعرية. في تطبيقات الدوائر ، لا يتم تمييز التأثيرين. لذلك ، نشير ببساطة إلى تأثير Zener ونحدد جهد Zener عن طريق الضبط الخامسض = –الخامسب.

نتذكر أيضًا أنه بينما السعة εز من فجوة الحزمة مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد تيار التشبع العكسي. ومن ثم يسهل فهم أن جهد زينر يتناسب مع فجوة الحزمة. بتعبير أدق ، يتراوح من أقل من 1 فولت بالنسبة إلى الصمام الثنائي Si / Ge ، وحتى 5000 فولت بالنسبة إلى الصمام الثنائي SiC / GaN. أيضًا أنا0 يخضع لزيادة كبيرة: بالنسبة إلى Si / Ge ، تكون القيم النموذجية في النطاق من 1 إلى 10 µأ.

حل السؤال 2

كما هو معروف ، تستخدم ثنائيات زينر كمثبتات للجهد. في الدوائر التي لا تتضمن عمليات طاقة عالية ، يلزم تثبيت حوالي عشرة فولت. لقد رسمنا منحنى الشكل 3 باستخدام خاصية الجهد الحالي لـ v> vب+ δV ، مع 0 <δV < الخامسب، ثم ربطها بالرسم البياني لـ “دالة اختبار” والتي من أجلها لا يمكن فرض استمرارية المشتق الأول عند نقطة التقاطع. في الواقع ، نلاحظ “الركبة الحادة” النموذجية التي تتوافق مع انقطاع المقاومة الديناميكية للديود. من حيث المبدأ ، الزيادة الصغيرة δV تم إصلاحه حتى لا تنخفض عند القيم الحالية إلى ما دون القيمة الحدية التي توفرها الشركة المصنعة للديود (وإلا فلن يكون هناك استقرار).

موازن الفولت

تتضمن المخططات الموضحة في الشكل 4 جهازًا بالخصائص التالية: V.إل= 5 فولت وأناإل= 50 مللي أمبير. لدينا أيضًا مصدر طاقة يوفر جهدًا كهربيًافي= 15 فولت باستخدام الصمام الثنائي Zener مع نقطة العمل V.ض= 5.1 فولت وأناض= 50 مللي أمبير ، وأقصى تبديد للطاقة 0.5 وات ، حدد النطاق الذي يمكن أن يتغير فيه التيار في الحمل.

الشكل 4: مخططات مثبت الجهد.
الشكل 4: مخططات مثبت الجهد

حل

بالنسبة لثنائي زينر المثالي ، فإن خاصية الجهد الحالي لها الاتجاه الموضح في الشكل 5. ومع ذلك ، فمن الأفضل التبديل إلى القيم المطلقة ، مع الإشارة إلى الكميات المقابلة بأحرف كبيرة كما هو موضح في الشكل 6.

الشكل 5: خاصية الجهد والتيار لصمام ثنائي زينر مثالي.
الشكل 5: خاصية الجهد والتيار لصمام ثنائي زينر مثالي

من الناحية النظرية ، إذا الخامسد=الخامسض (يتم توفير هذه القيمة من قبل الشركة المصنعة للديود) يمكن أن يختلف التيار من 0 إلى + ∞. من الناحية الواقعية ، فإن القيمة القصوى للتيار تؤدي إلى الحد الأقصى من الطاقة دبليوالأعلى أن الصمام الثنائي قادر على تبديد (يتم توفير هذه البيانات الرقمية أيضًا بواسطة
الشركة المصنعة). لذلك لدينا:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

يظهر هذا السلوك في الشكل 6 ، حيث أ (الخامسض، أناض) هي نقطة العمل (أناض = بيانات عددية معروفة).

الشكل 6: خاصية الجهد والتيار لصمام ثنائي زينر مثالي.
الشكل 6: خاصية الجهد والتيار لصمام ثنائي زينر مثالي

بتطبيق قانون كيرشوف الثاني لدينا:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

على الجانب الأيمن لدينا التيار أنا في الحمولة ، والتي يمكن أن يتقلب حجمها حول القيمة الاسمية أناإل. تم تكوين الصمام الثنائي ليكون أناد=أناض لو أنا=أناإل. جلسة الخامسد=الخامسض، تصبح المعادلة (5):

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

مما يسمح لنا بحساب قيمة المقاومة ص ليتم إدخالها في الدائرة:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

لذلك يمكننا أن نكتب:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

من خلالها يمكننا التعبير عن التيار في الحمل كدالة للتيار في الصمام الثنائي:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

يتم عرض المؤامرة المقابلة في الشكل 7. يمكننا الآن الحصول على نطاق الاستقرار على النحو التالي:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

بمعنى آخر ، إذا اختلف التيار في الحمل في النطاق المعطى بواسطة المعادلة (10) ، فإن الجهد يظل ثابتًا عند الخامسإل. الآن ، كل ما علينا فعله هو إدخال القيم العددية في معادلاتنا. نحصل:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

بإيجاز ، حتى لو كان التيار في الحمل يتقلب حول القيمة الاسمية البالغة 50 مللي أمبيرو في النطاق من 2 مللي أمبير حتى 100 مللي أمبير ، يظل الجهد عبر الجهاز ثابتًا عند الخامسإل= 5 فولت.

الشكل 7: مدى الاستقرار.
الشكل 7: مدى الاستقرار

الصمام الثنائي الجرمانيوم مقابل الصمام الثنائي كربيد السيليكون

في المخططات الموضحة في الشكل 8 ، د1 و د2 هي الثنائيات الجرمانيوم وكربيد السيليكون ، على التوالي. يتم تشغيل السلسلة بواسطة بطارية توفر جهدًا كهربيًا0= 50 فولتض هو جهد زينر للديود د2، بافتراض درجة حرارة التشغيل T = 400 K ، وتيار التشبع العكسي D2 40 مرة من الصمام الثنائي D1.

لنفترض أنه يتعين علينا حل مشكلة مقسمة إلى النقطتين التاليتين:

  1. إذا كان V.ض > V.0، تحديد الجهد عبر الثنائيات
  2. إذا كان V.ض <الخامس0، ما هي الحد الأقصى لقيمة V0−Vض يمكن أن تفترض دون تدمير د1 ، مع العلم أن الطاقة القصوى التي يمكن أن يتبددها هذا الصمام الثنائي هي 1 وات ، وأن تيار التشبع العكسي هو 1 µA ، ومقاومته الديناميكية r = 60 Ω؟
الشكل 8: سلسلة الثنائيات Ge و SiC.
الشكل 8: سلسلة الثنائيات Ge و SiC

حل السؤال 1

بقدر ما يتعلق الأمر بالجهد ، سوف نستخدم أحرفًا صغيرة للإشارة إلى الكميات المتغيرة (v ، v1، الخامس2، …) ، والأحرف الكبيرة للكميات الثابتة.

بالنظر إلى هذا ، سنجد حلاً باستخدام خاصية الجهد-التيار. الصمام الثنائي د2 في وضع الجهد العكسي ويظهر سلوكه في الشكل 9. يجبر هذا الصمام الثنائي المولد على توصيل شدة تيار مساوية لتيار التشبع العكسي لـ د2 التي نشير بها أنا02. عبور الصمام الثنائي د1، يؤدي هذا التيار إلى انخفاض الجهد الخامس1 والتي يمكن تحديدها باستخدام خاصية الجهد الحالي د1 هو مبين في الشكل 10 ، ومعطى من قبل:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge
الشكل 9: مخطط الجهد العكسي للديود D2.
الشكل 9: مخطط الجهد العكسي للديود د2
الشكل 10: مخطط الجهد الأمامي للديود D1.
الشكل 10: رسم للجهد الأمامي للديود د1

من المعادلة (12) نكتب:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

وفقًا لقانون Kirchhoff الثاني ، لدينا:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

حل السؤال 2

كما هو موضح في الشكل 11 ، في هذه الحالة لدينا: الخامس0 > V.ض.

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

مع الأخذ في الاعتبار قانون Kirchhoff الثاني ، ينخفض ​​الجهد د1 يكون الخامس1= ∆الخامس. يمكن حساب شدة التيار المتدفق في الدائرة من خاصية الجهد الحالي د1 على النحو التالي:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

تبدد الطاقة بواسطة الصمام الثنائي د1 اعطي من قبل:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

يمكننا بعد ذلك الحصول على الحل:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الانهيار ، ومثبت الجهد ، وثنائيات SiC / Ge

باختصار ، يمكن أن يكون جهد الإمداد أقل من الخامسض ما يصل إلى 0.40 الخامس.

الشكل 11: خاصية الجهد الحالي للديود D2.
الشكل 11: خاصية الجهد الحالي للديود D2

مراجع

1ولفرام ، س. (2015). “مقدمة أولية للغة ولفرام.” ولفرام ميديا ​​، إنك.
2ريدل ، أ. ، وديك ، س. (1995). “الهندسة الإلكترونية التطبيقية مع ماثيماتيكا.” أديسون ويسلي.
3ناحفي ، م. (2018). “مخطط Schaum للدوائر الكهربائية.” ماكجرو هيل بروفيشنال.
4ميلمان ، ج. ، وجرابيل ، أ. (1988). “الإلكترونيات الدقيقة”. ماكجرو هيل.
5ملاحظات علمية على إلكترونيات الطاقة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *