НЕКОТОРЫЕ СХЕМЫ НА ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДАХ
Инж. В. Морозов
Наиболее просто с применением туннельных диодов строятся схемы автогенераторов. Так как туннельный диод представляет собой двухполюсник с отрицательным сопротивлением, устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Обычные низкочастотные туннельные диоды хорошо работают на частотах, равных единицам мегагерц. Более высокочастотные диоды, в которых уменьшена емкость перехода и индуктивность выводов, генерируют на частотах тысячи мегагерц. Однако из-за небольших величин участка вольтамперной характеристики диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли мвт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное подключение диода к контуру генератора. В этом случае сопротивление потерь, приведенное к выводам диода, должно быть равно его отрицательному сопротивлению. В реальных схемах приведенное сопротивление потерь выбирают больше отрицательного. сопротивления туннельного диода с тем, чтобы гарантировать надежное возбуждение генератора при изменении температуры, питающего напряжения и частоты. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает сопротивление туннельного диода, отвод приходится делать от незначительной части витков контура (рис. 1). На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть колебательной мощности, поэтому оно должно быть как можно меньше.
рис. 1
Обычно туннельные диоды питаются от делителя напряжения, что приводит к неэкономному расходованию мощности питания. Действительно, для германиевых диодов напряжение смещения в режиме генерации равно 0,1-0,15 в, а минимальное напряжение подавляющего большинства химических источников тока составляет 1,2-2 в, поэтому и необходимо применять в цепи питания делители напряжения. При этом примерно 80-90% всей потребляемой мощности рассеивается на делителе. Исходя из соображений экономичности, для питания туннельных диодов целесообразно применять источники с возможно более низким напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5-10 ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность его повышают до 20-30 ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5-10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если режим его подбирался по максимуму отдаваемой мощности.
Отрицательное сопротивление туннельного диода сильно зависит от положения рабочей точки, так что при изменении питающего напряжения на 10% нормальная работа генератора может полностью нарушиться. Поэтому при питании диодов от химических источников тока - батарей, аккумуляторов, обеспечить их стабильную работу весьма трудно. Наиболее целесообразно питать их от окисно-ртутных элементов, напряжение которых незначительно меняется в процессе работы, а в ряде случаев приходится использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления -в верхнем плече, стабилизирующие ток, а в нижнем - напряжение. Так, если в схеме автогенератора (рис. 2, а) вместо сопротивления R2 применить германиевый диод Д11 в прямом включении, как это показано на рис. 2, б, стабильность работы генератора улучшится и при изменении напряжения питания от 1,5 до 1 в никаких регулировок не потребуется.
рис. 2
В приведенных схемах автогенераторов на частоту 465 кгц катушка L1 намотана на 4-секционном полистироловом каркасе диаметром 4 мм с сердечником из феррита Ф-1000 диаметром 2,8 и длиной 12 мм. Обмотка катушки содержит 220 витков провода ПЭВ 0,13 с отводом от 18 витка. Напряжение высокой частоты на контуре составляет 1 в эфф.
Все упомянутые выше способы стабилизации несколько усложняют схемы, а в ряде случаев и увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не нашли. В аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому, при питании диодов эмиттерным током транзистора, можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.
Помимо генераторов, настроенных на фиксированную частоту, туннельные диоды можно применить и в диапазонных генераторах. Правда, при этом приходится более тщательно подбирать связь диода с контуром, чтобы во всем перекрываемом диапазоне поддержать амплитуду колебании и мощность в нагрузке на заданном уровне. Примером такого использования туннельного диода может служить схема гетеродина для супергетеродинного приемника, описанного в журнале "Радио" № 5 за 1962 г. Схема гетеродина получается при этом даже проще, чем на транзисторе (рис. 3).
рис. 3
Общее число витков в катушке L1 сохраняется, а для связи с туннельным" диодом поверх L1 со стороны ее заземленного конца наматывается обмотка L2, содержащая 10 витков провода ПЭЛШО 0,15. Обмотка связи с преобразователем L3 остается примерно прежней, но для наибольшей чувствительности число витков нужно заново подобрать. Емкости конденсаторов C1 и С2 остаются без изменения, Питается туннельный диод от общего источника. В этом случае сопротивление R2 должно быть равно 1,2 ком. Туннельный диод нужно выбрать с током максимума не более 1,5 ма. Более рационально для питания диода применить упомянутую выше схему стабилизации с помощью транзистора. Для этого усилитель НЧ переделывают по схеме, приведенной на рис. 4. Между транзистор рами усилителя НЧ вводится связь по постоянному току. Смещение на базу транзистора Т1 снимается с эмиттера транзистора Т2 через цепочку R4Д1, и сопротивления R2, R3. Возникающая при этом отрицательная обратная связь по току поддерживает ток эмиттера, а значит, и напряжение на сопротивлениях R2 и R3, почти постоянным при снижении питающего напряжения на 25-30% от номинальной величины (величину питающего напряжения лучше повысить до 9 в).
рис. 4
Для питания туннельного диода используется напряжение 2 в, подаваемое на делитель через сопротивление R2 (рис. 3), которое в этом случае берется равным 430 ом. Налаживание начинают с проверки того, как изменяется напряжение на эмиттере транзистора Т2 при уменьшении питающего напряжения с 6 до 4,5 в или с 9 до 6 в. Если при этом напряжение изменится не более, чем на 5-10%, то установив напряжение питания равным 5,2 в (или 7,5 в при 9 в), переходят к настройке генератора. Для этого ротор переменного конденсатора С2 ставят в среднее положение и, регулируя величины сопротивлений R1 или R2 (рис. 3), добиваются максимальной амплитуды колебаний. Затем проверяют равномерность генерации по всему диапазону. Если в каких-либо его участках колебания срываются, следует на несколько витков увеличить обмотку катушки L2 и вновь проверить равномерность генерации при перестройке. Закончив настройку гетеродина, подбирают число витков обмотки связи гетеродина с преобразователем L3 до получения оптимальной чувствительности.
При проектировании генераторов на туннельных диодах следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура, с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку. Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора. При этом, как следует из рассмотрения энергетических соотношений, диоды выгодно соединять по постоянному току последовательно.. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя будет вдвое больше, чем для одного туннельного диода, и потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов(рис.5). В противном случае, устойчивая работа двух последовательно соединенных диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме, приведенной на рис. 5 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого туннельного диода с контуром следует регулировать индивидуально.
рис. 5
Можно использовать туннельные диоды и в схемах апериодических усилителей. Однако, как указывается в литературе, такие апериодические усилители в диапазонах длинных и средних волн оказываются мало практичными из-за трудности в разделении нагрузки и источника сигнала. Нужно учесть и то, что транзисторы при сравнимом потреблении мощности питания обладают большим усилением в реальных схемах по сравнению с туннельными диодами.
Резонансные усилители на туннельных диодах строить сравнительно несложно. Они могут быть выполнены, например, по схеме автогенератора, в котором коэффициент обратной связи недостаточен для возбуждения колебаний. Таким схемам присущи все недостатки регенеративных усилителей: нестабильность порога регенерации, возможность возбуждения при изменении нагрузки, сужение полосы пропускания при повышении усиления. Однако такие усилители могут работать достаточно устойчиво, если не стремиться получить от них максимальное усиление. Схема с таким применением туннельного диода приведена на рис. 6. На рисунке показана схема входной части приемника прямого усиления с ферритовой антенной. Известно, что для согласования сопротивления контура антенны с входным сопротивлением транзистора, коэффициент трансформации трансформатора, образованного обмотками катушек L1 и L2 делается много меньше единицы.
Рис. 6. Верхняя обкладка конденсатора C1 должна быть заземлена.
Это приводит к тому, что напряжение сигнала на базе транзистора оказывается в 15- 20 раз меньше, чем напряжение на контуре L1C1. В схеме, показанной рис. 6 коэффициент связи выбран значительно больше обычного и отвод к базе транзистора Т1 сделан от 1/5 общего числа витков катушки L1. В этом случае контур L1C1 оказывается сильно шунтированным, полоса его расширяется и чувствительность приемника падает. Однако при подключении туннельного диода к дополнительной обмотке L3 контур частично "разгружается", его затухание и полоса пропускания возвращаются к нормальной величине. Таким способом удается получить выигрыш в чувствительности приемника в 4-5 раз. Число витков обмотки L3 выбирается с таким расчетом, чтобы затухание контура компенсировалось не полностью, и усилитель не возбуждался. Однако, чтобы получить максимальную чувствительность, нужно подойти к порогу возбуждения как можно ближе, поэтому смещение туннельного диода сделано регулируемым. Обмотка катушки L1 содержит 200 витков провода ПЭЛШО 0,15, намотанных в один слой виток к витку на ферритовом стержне длиной 110 мм, диаметром 8,4 мм с отводом от 44 витка. Обмотка катушки L3 содержит 8-10 витков провода ПЭЛШО 0,15, она намотана вблизи заземленного конца катушки L1. Недостатком предложенной схемы является то, что коэффициент перекрытия входной цепи уменьшается, так как из-за увеличенного коэффициента связи сильней будет сказываться входная емкость транзистора T1. Кроме того, к емкости контура добавится пересчитанная емкость туннельного диода. Поэтому, если требуется достаточно большое перекрытие, целесообразно туннельный диод применять с минимальной емкостью.
Более выгодно применять регенеративные усилители на фиксированную частоту, например в усилителе ПЧ супергетеродина (рис. 7). Для этого на один из контуров ПЧ наматывают дополнительную обмотку для туннельного диода. Смещение диода лучше сделать стабилизированным. Это позволит подойти достаточно близко к порогу регенерации и получить выигрыш в усилении в 8-10 раз. Нужно учитывать, что полоса пропускания усилителя ПЧ резко сужается, если включение туннельного диода не было заранее предусмотрено. В ряде случаев при подключении диода усилитель может возбудиться, хотя коэффициент связи недостаточен для генерации. Это происходит потому, что коэффициент усиления каскада с подключенным туннельным диодом становится больше максимальной устойчивой величины.
рис. 7
При монтаже нужно учитывать, что туннельные диоды склонны к возбуждению на паразитных реактивных сопротивлениях. Поэтому выводы диода и связанных с ним деталей делают минимальной длины, а монтаж осуществляет так, как если бы схема предназначалась для работы на очень высоких частотах. Не следует в низкочастотных схемах применять туннельные диоды с высокой граничной частотой.
Экспериментируя с туннельными диодами, нужно избегать бросков тока и напряжения, иначе диод может выйти из строя. Подключать и отключать диод следует только при выключенном питании.
Литература
1. С. Г. МАДОЯН, Ю. С.ТИХО-ДЕЕВ. А. Ф. ТРУТКО - Туннельный диод. Сборник "Полупроводниковые приборы и их применение" под редакцией Федотова Я. А. Вып. 7.
2. К. С. РЖЕВКИН "Туннельный диод" Массовая радиобиблиотека" выпуск 452, Госэнергоиздат, 1962 г.
3. АКЧУРИН Э. А., СТЫБЛИК В. А. Генераторы на туннельных диодах с повышенной мощностью, Радиотехника, 1963 г. т. 18, № 11.
4. Williams, Hamilton How to make tunnel diodes even more useful, Electronics, June 7. 1963, V 36. N 23.
(Радио N 4 1965 г., с.37-39)