Широкое применение в сельскохозяйственном приборостроении имеют электронные устройства. На сегодняшний день трудно назвать такие технологические процессы АПК, для управления которыми не использовались бы электронные приборы. Электронная техника на основе традиционных полупроводниковых элементов, микросхем, специализированных или универсальных процессоров плотно вошла в структуру современных управляющих систем. Благодаря развитию технологий изготовления компонентов этой техники стоимость электронных приборов неуклонно снижается. При этом удешевление различных видов элементной базы происходит довольно неравномерно. Интересно, что снижение стоимости отдельных элементов обычно влечет за собой стремительный поиск новых схемных решений, которые позволяют достичь того же результата при их максимальном использовании.

Например, еще в 50-е годы ХХ столетия, когда началось широкое использование полупроводниковых приборов, но их стоимость оставалась довольно высокой, для выпрямления переменного тока стали активно использоваться схемы двухполупериодных выпрямителей «со средней точкой». Такая мера позволяла вместо четырех диодов использовать только два. Однако при этом усложнялась технология изготовления трансформаторов и увеличивался расход медного провода, поскольку вторичные обмотки использовались не одновременно. Впоследствии, по мере

изменения ценовых соотношений (полупроводниковые диоды становились

дешевле, а медный провод – дороже) от схем выпрямителей «со средней точкой» повсеместно отказались.

Вместе с тем, стоимость некоторых элементов электронных схем остается относительно высокой и перспективы ее снижения пока не видны. К таким элементам, например, относятся керамические конденсаторы, в структуре которых содержатся либо природные сырьевые материалы (глина, тальк, мрамор и т.д.), требующие тщательной очистки, либо весьма дорогие продукты химической промышленности (двуокись титана, двуокись циркония, углекислый барий). Технология изготовления конденсаторов с жидким диэлектриком еще более дорогостоящая, поскольку она осложнена необходимостью применения тщательной очистки жидкости перед ее заливкой в корпус. Помимо этого в конструкции конденсаторов должна быть предусмотрена надежная герметизация для защиты жидкого диэлектрика от доступа пыли и влаги из окружающей среды. При изготовлении конденсаторов с жидким диэлектриком необходимо также учитывать его большой коэффициент расширения и несжимаемость, что еще более усложняет конструкцию.

История техники имеет немало примеров того, как обычные, давно изученные приборы при использовании их не по прямому назначению открывают целый ряд принципиально новых возможностей. Так, например, электронная лампа, созданная для выпрямления переменного тока, после введения в нее управляющей сетки позволила осуществить усиление и генерирование электрических колебаний. Да и сама усилительная лампа находит сегодня большое количество самых необычных применений. Еще одним таким примером могут служить электронно-лучевые трубки, на базе которых созданы безынерционные коммутаторы и запоминающие устройства первых поколений вычислительных машин.

Примерно то же самое может произойти и с полупроводниковым диодом, который может быть применен как конденсатор с управляемой емкостью.     Любой полупроводниковый диод имеет так называемый p-n

переход, то есть область на границе между полупроводниками с различными типами проводимости. В полупроводнике типа n имеются носители отрицательных электрических зарядов – электроны, а в полупроводнике типа p – носители положительных зарядов – «дырки», то есть места в кристаллической решетке, где недостает электронов. Если к диоду приложить внешнее напряжение положительным полюсом к полупроводнику с проводимостью типа n, а отрицательным полюсом к полупроводнику с проводимостью типа p, то электроны и «дырки» под действием электрического поля как бы оттянутся в обе стороны от поверхности раздела, и там образуется область, обедненная носителями зарядов. Полупроводниковый диод в таком состоянии можно уподобить конденсатору, обкладками которого служат зоны с проводимостями n и p типов, а диэлектриком – область их раздела. Емкость такого конденсатора будет зависеть от величины запирающего напряжения: чем больше это напряжение, тем сильнее «оттягиваются» заряды от перехода, и тем меньше оказывается емкость такого конденсатора [1].

На рис.1 показана схема включения диода для настройки колебательного контура. Диод VD1 соединен с колебательным контуром через конденсатор C1, который необходим для того, чтобы индуктивность L1 не шунтировала диод VD1 по постоянному току. Емкость диода изменяется с помощью потенциометра R2. Для того, чтобы потенциометр R2 не шунтировал колебательный контур, в цепь питания включается высокоОмное сопротивление развязки R1. Так как запертый диод имеет весьма большое

сопротивление, то значительная часть управляющего напряжения этом подается на диод.

U упр

при

Рис.1. Схема включения диода для настройки колебательного контура.

   

Емкость диода должна изменяться в пределах, нужных для перекрытия диапазона. Изменение емкости в зависимости от величины приложенного управляющего напряжения у разных образцов диодов должно быть одинаковым. В противном случае было бы проблематично осуществить сопряжение настройки нескольких колебательных контуров.

Для настройки контуров пригодны диоды с малыми потерями в том частотном диапазоне, где они должны применяться. Изменение емкости перехода диода от температуры должно быть небольшим. Проведенные исследования показали, что этим требованиям хорошо удовлетворяют кремниевые опорные диоды типов Д808А–Д813А.

При изменении управляющего напряжения от нуля до 5 В сопротивление этих диодов колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен МОм. Такая большая величина обратного сопротивления опорных диодов позволяет выбрать величину сопротивления R1 порядка 1…2 Мом, что значительно уменьшает шунтирование контура потенциометром R2.

Обратное сопротивление опорных диодов очень мало изменяется в зависимости от температуры. «Излом» Вольт-Амперной характеристики опорных диодов происходит в области положительных напряжений. Так, прямой ток достигает величины 10 мкА при напряжении на диоде около +0,5В.       Наиболее   резко   изменяется   емкость   диодов   при   управляющем напряжении близким к нулю.

Характер зависимости изменения емкости опорных диодов от величины управляющего напряжения показан на рис.2а. Как видно из рисунка, при изменении U упр от нуля до – 6 В емкость изменяется примерно в 2,5 раза (кривая снята в диапазоне частот 100…200 кГц).

Разброс коэффициента перекрытия по емкости сравнительно невелик и  составляет в среднем 5% для каждого типа диодов. Гораздо больший разброс имеет абсолютная величина емкости, которая наблюдается у диодов Д808А при U упр равном нулю:  от 650 до 350 пФ. С увеличением частоты заметна общая тенденция к увеличению как максимальной, так и минимальной емкости диодов. Однако это возрастание емкости диода с частотой незначительно, и им можно пренебречь. Для диодов типа Д808А емкость начинает заметно увеличиваться на частотах, больших 3 МГц (рис.2б)

Как было отмечено выше, при изменении управляющего напряжения от нуля до 6 В удается достичь перекрытия по емкости на уровне 2,5. Такое перекрытие в некоторых случаях может оказаться недостаточным. Тогда для увеличения перекрытия можно воспользоваться «положительным» участком Вольт-Амперной характеристики диода.

При подаче положительного напряжения на диод можно получить дополнительное увеличение емкости. Если ограничиться прямым током I g через диод на уровне 7,5 мкА, емкость перехода может быть увеличена дополнительно в 1,7 раза (рис.2а).

Использование       «положительного»       участка       Вольт-Амперной характеристики диода можно рекомендовать только на частотах 200…300 кГц ввиду значительного увеличения потерь на более высоких частотах. Самые малые потери получаются при наименьшей емкости диода. На низких частотах потери малы и почти не зависят от частоты (рис.3). Начиная с 5 МГц потери возрастают приблизительно пропорционально частоте. Иная зависимость получается, если управляющее напряжение равно нулю. В этом случае потери вначале возрастают пропорционально, а затем их рост замедляется. На частоте около 30 МГц потери практически не зависят от величины управляющего напряжения. Для промежуточных величин управляющего напряжения кривые потерь в зависимости от частоты располагаются между этими кривыми.

Кроме величины tgd на графике (рис.3) нанесены величины добротности конденсатора  катушки индуктивности с добротностью L Q и конденсатора с добротностью QC ,определяется по формуле:  

Поскольку напряжение высокой частоты изменяет емкость полупроводникового конденсатора так же, как и управляющее напряжение, это приводит к появлению дополнительных резонансных частот. При этом контур резонирует не только на основной частоте, но и на частотах, которые в целое число раз меньше резонансной частоты.

Величина резонансных пиков убывает по мере удаления от основной частоты резонанса. Если уменьшать амплитуду высокочастотного напряжения в колебательном контуре, паразитные резонансные «пики» убывают в большей степени, чем основной «пик». Экспериментально установлено, что напряжение высокой частоты на полупроводниковом конденсаторе не должно превышать нескольких десятых Вольта.

Другой    эффект,    связанный    с    применением    полупроводниковых «конденсаторов», проявляется при работе в «положительной» области Вольт- Амперной характеристики диода. В этой области малые изменения управляющего напряжения вызывают большие изменения емкости. Это приводит к тому, что при напряжении высокой частоты, соизмеримом с управляющим напряжением, форма резонансной кривой искажается за счет расстройки контура высокочастотным напряжением.
Для ослабления описанных эффектов можно рекомендовать включение диодов по схеме, показанной на рис.4а. В этом случае напряжение высокой частоты воздействует на оба диода таким образом, что при увеличении емкости одного диода, емкость другого уменьшается.

Перекрытие по емкости в случае включения диодов по схеме рис.4а такое же, как и для рассмотренного выше случая. Поскольку диоды включены последовательно по высокой частоте, то их суммарная емкость будет в два раза меньше, чем у одного диода.

В случае применения диодов с управляемой емкостью для настройки гетеродинов весьма полезно ограничивать амплитуду напряжения высокой частоты с помощью шунтирующего диода (рис.4б). Применение шунтирующего точечного диода полезно еще и в том отношении, изменение напряжения высокой частоты во всем диапазоне уменьшится, а стабильность частоты гетеродина повысится.

При работе диодов с управляемой емкостью в гетеродинных цепях не рекомендуется использовать положительную ветвь Вольт-Амперной характеристики диода, так как напряжение на гетеродинном контуре будет относительно велико, а форма резонансной кривой существенно исказится.

Кремниевые диоды Д808А – Д813А, о которых говорится в данной статье, имеют весьма малую проводимость в обратном направлении. При этом с повышением температуры до +100°С проводимость увеличивается настолько незначительно, что управляющее напряжение изменяется мало.

В результате эксперимента по выявлению зависимости емкости диода от температуры было установлено, что измеренная величина ТКЕ оказалась равной 10-3 / ºС. Однако необходимо учитывать, что нагреву подвергался лишь диод, а резистор R1 (рис.1) не нагревался. Для температурной компенсации емкости диода следует брать сопротивление R1 с возможно большим положительным температурным коэффициентом. Кроме того, в высокочастотном диапазон, где, как правило, не требуется очень больших перекрытий по частоте, следует применять дополнительные тикондовые конденсаторы для термокомпенсации.

При необходимости одновременного управления двумя или несколькими контурами можно воспользоваться одним  потенциометром,  как это показано на рис. 5а. Для получения хорошего сопряжения настройки необходимо подобрать диоды по возможности с одинаковым перекрытием по емкости и одинаковыми величинами емкости. Максимальная величина емкости   может   быть   выравнена   подбором  конденсаторов C1  и C2 , минимальная – подбором сопротивлений R1   и R2 . При этом сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы колебательные контуры шунтировались незначительно. Минимальную емкость также можно легко стабилизировать включением конденсаторов параллельно диодам.

В высокочастотном диапазоне, применяя диоды с управляемой емкостью, несложно получить растянутую настройку, включив дополнительно небольшое переменное сопротивление последовательно с основным управляющим потенциометром (рис.5б).

Таким образом, относительно дорогие конденсаторы в схемах управления можно заменять на более дешевые полупроводниковые диоды. При этом величина емкости, образованной в p-n -переходе в ряде случаев не уступает емкости заменяемых конденсаторов и одновременно является управляемой в достаточно широких пределах. Параметры диодов с управляемой емкостью позволяют применять их во многих случаях для настройки колебательных контуров на высоких частотах. Такие диоды могут применяться, например, для настройки входных цепей радиоаппаратуры, а также для настройки контуров маломощных гетеродинов в электронных устройствах на полупроводниковых триодах. Эти схемы могут найти применение в системах дистанционного контроля управляемых параметров. Например, в системах коммерческого учета электроэнергии, воды и других ресурсов.

 

Список литературы

 

 

1.     Кардона П. Основы физики полупроводников / Пер.с англ. И.И.Решиной. Под ред. Б.П.Захарчени. – 3-е изд.– М.:ФИЗМАТЛИТ,2002 – 560 с. – ISBN 5-9221-0268-0/