Вольт-амперная характеристика диода. Характеристики и принцип действия выпрямительных диодов

Выпрямительный диод - это электронное устройство, предназначенное для преобразования тока переменного в ток постоянный. Это такой двухэлектродный прибор, у которого есть только односторонняя (униполярная) электрическая проводимость. Выпрямительный диод из полупроводниковых материалов и так называемые (когда четыре диода подключены по диагонали попарно в одном корпусе) пришли на смену игнитрону и электровакуумному диоду.

Эффект выпрямления переменного тока и преобразования его в постоянный возникает на переходе полупроводник-металл, металл-полупроводник или же в так называемом электронно-дырочном переходе в некоторых кристаллах (например, кремний, германий, селен, закись меди). Такие кристаллы часто служат основой прибора.

Полупроводниковый выпрямительный диод применяют в радиотехнике, в электронных и электрических устройствах. По сути, выпрямление - это преобразование тока переменного (напряжения) в ток одной полярности (пульсирующий постоянный). Такого типа выпрямление в технике необходимо для размыкания и замыкания электрический цепей, коммутации и детектирования электрических сигналов и импульсов, и для многих других подобных преобразований. Такие характеристики диода, как быстродействие, стабильность параметров, емкость p-n переходов не обязывают предъявлять к себе какие-то специальные требования.

У такого устройства есть определенные электрические параметры и характеристики диодов:

Прямое напряжение при указанном значении тока (берется ;

Обратный ток при заданном значении обратного напряжения и температуры ;

Амплитудные допустимые значения для максимального обратного напряжения;

Усредненное значение прямого тока;

Значение величины частоты без снижения режима;

Сопротивление.

Выпрямительный диод часто сокращенно называют просто выпрямителем. Как компонент электрической цепи, он оказывает высокое сопротивление току, который протекает в одном направлении, и низкое тому, который протекает в направлении обратном. Это и вызывает

У такого устройства, как диод выпрямительный, достаточно небольшой Рабочая частота для промышленного использования такого прибора при преобразовании переменного тока в постоянный составляет 50 Гц. Предельной частотой принято считать не более чем 20 кГц.

Выпрямительный диод как электронное устройство можно поделить на несколько групп по значению максимального среднего прямого тока. Это диод малой мощности (до 0,3 ампер), средней мощности (от 0,3 А до 10 А) и сверхмощные (силовые) выпрямительные диоды (более десяти ампер).

К основным параметрам такого электронного устройства, как выпрямительный диод, необходимо отнести и рабочий диапазон для температуры окружающей среды (обычно она колеблется от -50 до +130 градусов Цельсия для наиболее распространенного типа диода - кремниевого) и максимальную температуру корпуса (самые разные параметры, в зависимости от мощности, назначения и производителя).

Существует немало устройств, созданных с целью преобразования электрического тока, и выпрямительные диоды – одни из них.

Выпрямительный диод – преобразователь тока переменного в постоянный. Является одним из видов полупроводников. Широкое применение получил благодаря основной характеристике – переводу электрического тока строго в одном направлении.

Принцип действия

Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.

ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.

Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.

Использование сборки

При эксплуатации выпрямительного полупроводникового диода польза извлекается только из половины волн переменного тока, соответственно, безвозвратно теряется более половины входного напряжения.

С целью улучшить качество преобразования переменного тока в постоянный используется сборка из четырех устройств – диодный мост. Выгодно отличается тем, что пропускает ток на протяжении каждого полупериода. Диодные мосты производят в виде комплекта, заключенного в пластиковый корпус.

Принципиальная схема диодного моста

Физико-технические параметры

Основные параметры выпрямительных диодов базируются на таких значениях:

• максимально допустимом значении разницы потенциалов при выпрямлении тока, при котором устройство не выйдет из строя;
• наибольшем среднем выпрямленном токе;
• наибольшем значении обратного напряжения.

Выпрямители промышленность выпускает с разными физическими характеристиками. Соответственно, устройства имеют разную форму и способ монтажа. Разделяются при этом на три группы:

1. Выпрямительные диоды большой мощности. Характеризуются пропускной способностью тока до 400 А и являются высоковольтными. Высоковольтные выпрямительные диоды производятся в корпусах двух видов –штыревом, где корпус герметичный и стеклянный, и таблеточном, где корпус из керамики.
2. Выпрямительные диоды средней мощности. Обладают пропускной способность от 300 мА до 10А.
3. Выпрямительные диоды малой мощности. Максимально допустимое значение тока – до 300 мА.

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

• значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
• максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
• средней силой выпрямленного тока;
• материалом прибора и типом монтажа.

В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

• оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
• минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
• ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Практическое использование выпрямительного диода

В связи с неудержимым развитием научно-технического прогресса применение выпрямителей затронуло все сферы жизнедеятельности человека. Диоды силовые выпрямительные эксплуатируются в таких узлах и механизмах:

• в блоках питания главных двигателей транспортных средств (наземных, воздушных и водных), промышленных станков и техники, буровых установок;
• в комплектации диодного моста для сварочных аппаратов;
• в выпрямительных установках для гальванических ванн, используемых для получения цветных металлов или нанесения защитного покрытия на деталь или изделие;
• в выпрямительных установках для очистки воды и воздуха, фильтрах различного рода;
• для передачи электроэнергии на дальние расстояния посредством высоковольтной линии электропередач.

В повседневной жизни выпрямители используют в различных транзисторных схемах. Применяют в основном маломощные устройства как в виде однополупериодного выпрямителя, так и виде диодного моста. Например, диоды выпрямительного блока генератора хорошо известны автолюбителям.

ТЕМА 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

1) по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.;

2) по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;

3) по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо - галлиевые и др.

Рисунок 3.1 – Устройство точечных диодов

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.3.1), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм2; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Устройство плоскостных диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом (б)

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3.2, а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область с электропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

Диффузионный метод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3.2, б). Для создания р- слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

3.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительные диоды выполняются на основе р-n- перехода и имеют две области, одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрацию примеси), и называется эмиттером. Другая область, база – более высокоомная (содержит меньшую концентрация примеси).

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Как известно, прямой ток диода создается основными, а обратный – не основными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию не основных носителей, чем и обусловливаются вентильные свойства диода.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

· прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);

· максимально допустимый прямой ток Iпр мах диода;

· максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр мах, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

· постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uобр мах;

· средний выпрямленный ток Iвп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;

· максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (Iвп.ср £ 0,3А), средней мощности (0,3А 10А).

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Рисунок 3.3 – Изменение вольт - амперной характеристики полупроводникового диода от температуры: а − для германиевого диода; б − для кремниевого диода

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет DUпр = 0,3…0,6В, у кремниевых диодов − DUпр = 0,8…1,2В. Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера р-n- переходов, сформированных в кремнии.

С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n- переход.

При повышении температуры р-n- перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратного напряжения превышают номинальное значение параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным соединением диодов.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различно нагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного.

Рисунок 3.4 – Параллельное соединение выпрямительных диодов

Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис. 3.4, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т.е. Rд>>rпр вд. Величина Rд составляет сотни Ом.

Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток Iобр. однако ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Оно может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Рисунок 3.5 – Последовательное соединение выпрямительных диодов

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов Rш <

3.2 Стабилитроны

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостный переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

· напряжение стабилизации Uст (Uст = 1…1000В);

· минимальный Iст міn и максимальный Iст мах токи стабилизации (Iст міn» 1,0…10мА, Iст мах » 0,05…2,0А);

· максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах;

· дифференциальное сопротивление на участке стабилизации rд = DUст/DIст, (rд» 0,5…200Ом);

· температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации:

TKU стабилитрона показывает на сколько процентов изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С

(TKU= −0,5…+0,2 %/°С).

Рисунок 3.6 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое обозначение

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Стабилизацию низковольтного напряжения в пределах 0,3…1В можно получить при использовании прямой ветви ВАХ кремниевых диодов. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат.

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов:

Uст = Uст1 + Uст2 +…

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. из-за разброса характеристик и параметров из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникать только в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение Uст, что вызовет перегрев стабилитрона.

3.3 Туннельные и обращенные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт - амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n- переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.

Основные параметры туннельных диодов:

· пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ;

· ток впадины Iв − прямой ток в точке минимума ВАХ;

· отношение токов туннельного диода Iп/Iв;

· напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

· напряжение впадины Uв − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

· напряжение раствора Uрр.

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Рисунок 3.7 – Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Обращенный диод – диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина р-n- перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через р-n- переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р- области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь.

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Рисунок 3.8 – Вольт-амперная характеристика обращенного диода

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

3.4 Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

· номинальная емкость Св – емкость при заданном обратном напряжении (Св = 10…500 пФ);

· коэффициент перекрытия по емкости ; (Кс = 5…20) – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

Рисунок 3.9 – Вольт-фарадная характеристика варикапа

3.5 Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами.

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис. 3.10, а). Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току Rо и сопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение Rо у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определить ток в цепи I и напряжение на диоде Uд.

Рисунок 3.10

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связывающего величины I и U. А для сопротивления Rн подобным уравнением является закон Ома:

(3.1)

Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными I и U, причем одно из уравнений дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления Rн – это уравнение первой степени относительно I и U. Его графиком является прямая линия называемая линией нагрузки. Она строится по двум точкам на осях координат. При I= 0 из уравнения (3.1) получаем: Е − U= 0 или U= Е, что соответствует точке А на рис. 3.10, б. А если U= 0, то I= E/Rн. откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки D дают решение поставленной задачи.

Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если Rн >>Rо. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно: I»E/Rн.

Рассмотренный метод расчета постоянного напряжения можно применить для амплитудных или мгновенных значений, если источник дает переменное напряжение.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.11. В ней последовательно соединен источник переменного ЭДС – е, диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется однополупериодной.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе Rн падение напряжения UR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и UR= 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе Rн выпрямленное напряжение. Графики на рис. 3.11, б иллюстрируют процессы в выпрямителе.

Рисунок 3.11

Амплитуда положительных полуволн на диоде очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе Rн, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение не более 1…2В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е=200В и . Если Uпр max= 2В, то URmax= 278В.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Простейшая схема применения стабилитрона приведена на рис. 3.12, а. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому, в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона.

Рассмотрим случай, когда Е = const, а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max..

Значение Rогр можно найти по следующей формуле:

(3.3)

где Iср = 0,5(Iст min+Iст max) – средний ток стабилитрона;

Iн = Uст/Rн – ток нагрузки (при Rн = const);

Iн.ср = 0,5(Iн min+Iн max), (при Rн = var),

причем и .

Рисунок 3.12

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку Rогр постоянно и падение напряжения на нем, равное (Е − Uст), также постоянно, то и ток в Rогр, равный (Iст + Iн.ср), должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток нагрузки Iн изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если Iн увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Принцип действия стабилитрона рассмотрим на примере цепи, состоящей из последовательно соединенного источника переменной ЭДС – е, стабилитрона VD и резистора R (рис. 3.13, а).

В положительный полупериод на стабилитрон подается обратное напряжение, и до величины напряжения пробоя стабилитрона все напряжение прикладывается к стабилитрону, так как ток в цепи равен нулю. После электрического пробоя стабилитрона напряжение на стабилитроне VDостается без изменений и все оставшееся напряжение источника ЭДС будет приложено к резистору R. В отрицательный полупериод стабилитрон включен в проводящем направлении, падение напряжения на нем порядка 1В, а оставшееся напряжение источника ЭДС приложено к резистору R.

Свойства диода определяются его вольт - амперной характеристикой (ВАХ), которая показана на рис. 2.7. Приближенно она может быть описана уравнением

I =I 0 (e U / m j т – 1), (2.1)

где I 0 – ток насыщения обратносмещенного перехода (обратный тепловой ток); U –напряжение на p -n – переходе; j т =kT /q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов j к на границе p -n перехода при отсутствии внешнего напряжения; k =1,38×10 -23 Дж/К–постоянная Больцмана; Т –абсолютная температура; q =1,6×10 -19 кулон – заряд электрона; m – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При температуре Т =300К, j т =0,026 В.

Рис. 2.7

На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь , которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (2.1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов. В соответствии с (2.1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия.

На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения . Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3 В, для кремниевых – примерно 0,6 В.

Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя U проб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p - n – перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n – переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде U обр I обр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p –n – переход.

Для диода оговаривается несколько основных параметров :

Номинальный прямой ток;

Максимальное обратное напряжение;

Прямое падение напряжения;

Постоянный обратный ток;

Максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например, время проводимости).

Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150 о С против 75 о С для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60 ¸ 80 А/см 2 по сравнению с 20 ¸ 30 А/см 2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500¸2800 В по сравнению с 600¸800 В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения, которое. для германиевых диодов U пр =0,3¸0,4В, а для кремниевых диодов U пр =0,6¸1,2 В.

Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P =UI . U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 2.7 отмечен жирной линией. Если диод начинает работать на нерабочих участках ВАХ, он выходит из строя, поскольку мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый и диод разрушается.

При рассмотрении режимов работы схем с диодами их представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении. Идеализированная ВАХ представлена на рис. 2.8, а зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 2.9.

Рис. 2.8	Рис. 2.9

Типы диодов

По назначению различают следующие типы диодов:

– выпрямительные;

– импульсные;

– высокочастотные;

– стабилитроны и стабисторы.

Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам.

Выпрямительные диоды . Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра:

1.Ток прямой номинальный (среднее значение).

Диоды выпускаются на ток 10 мА–1000 А. Обратное напряжение находится в пределах от 10 В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток > 10 А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода – это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 -ток прямой номинальный в А; 12 - класс. Класс - это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY , где КД - кремниевый диод, XXX - цифры, Y - буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные - 1, 2). Буква определяет обратное напряжение.

Второстепенные параметры:

1.Максимальный обратный ток I обр.макс (от десятков нА до десятков мА).

2.Прямое падение напряжения U пр (0,3¸1,2В).

3. Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные токи, напряжения и мощность.

Рис. 2.10

4. Время восстановления запирающих свойств диода.

Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание - переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя как показано на рис. 2.10. Интервал I - время рассасывания носителей, интервал II - бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал t в – время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за неидеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции.

Рис. 2.11

Высокочастотные диоды . Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис. 2.11.

Импульсные диоды . Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр – импульсный ток за оговоренное время.

Стабилитроны и стабисторы . Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же, как у диодов, она также может использоваться.

ВАХ стабилитрона представлена на рис. 2.12. Для стабилитронов указывается два основных параметра:

U ст – напряжение стабилизации стабилитрона;

Iст.н – номинальный ток стабилитрона.

Рис. 2.12	Рис. 2.13

U ст =3,3¸170В. Для U ст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение U ст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов I ст.min =1¸3m А, I с т. max =30m A. I ст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот m A.

Стабисторы – это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ, т.е. это диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. ВАХ стабистора показана на рис. 2.13. Такая ВАХ создается технологически. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.

Контрольные вопросы

1. Что такое потенциальный барьер полупроводникового диода и как он формируется?

2. Охарактеризуйте кратко схемы включения полупроводникового диода.

3. Охарактеризуйте реальную и идеальную вольт – амперные характеристики полупроводникового диода.

4. Перечислите основные параметры полупроводникового диода.

5. Охарактеризуйте основные типы диодов.

6. Перечислите второстепенные параметры полупроводникового диода.

7. Как осуществляется маркировка полупроводникового диода?

Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов.

Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов.

Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.

Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды

По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.

Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых - 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.

Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии . У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.