Примеры практического применения диодов

Поскольку полупроводниковые приборы проводят ток преимущественно в одном направлении, то основным назначением большинства диодов является преобразование энергии переменного в энергию постоянного тока.

Примеры использования выпрямительных диодов

Рассмотрим две наиболее распространенные схемы выпрямителей на полупроводниковых диодах (линейных детекторов): однополупериодную и двухполупериодную.

На рис.4.10 приведены схема и временные диаграммы однополупериодного выпрямителя. В схеме (рис. 4.10, а) последовательно соединены генератор переменной ЭДС – е, диод – VD и нагрузочный резистор R_Н. Правильнее схему следовало бы называть однофазной однотактной, т.к. генератор ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период).

Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и т.д.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.

На практике генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 4.10,б). Роль нагрузочного сопротивления, т.е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи и приборы, которые питаются от выпрямителя.

Будем считать, что генератор формирует синусоидальную ЭДС
е = Е_m sin wt и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным образом). Во время одного полупериода напряжение для диода является прямым и по цепи проходит ток, создающий на резисторе R_Н падение напряжения u_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и
u_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов (рис. 4.10, в, г, д), длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Достаточно умножить значения тока на R_Н, чтобы получить кривую напряжения, т.к.
u_R = i R_Н. График на рис. 4.10,д изображает напряжение на диоде. Амплитуда его положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе R_Н, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. При отрицательной полуволне ток практически в цепи отсутствует и падение напряжения на R_Н равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Полезной частью пульсирующего напряжения является его постоянная составляющая (среднее значение за период):

U_СР = U_МАХ / p = 0,318 U_МАХ. (4.10)

Приближенно U_СР составляет 30% максимального значения.

Переменная составляющая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 4.11). Полуволны переменной составляющей на рисунке заштрихованы, причем площади положительной и отрицательной полуволн равны.

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения, т.е. для сглаживания пульсаций, применяют специальные сглаживающие фильтры (рис. 4.10, б).

В сглаживающем фильтре используются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая ее часть проходила в нагрузку.

Для качественного сглаживания пульсаций необходимо выполнение условия:

1 / wС << R_Н. (4.11)

Из рис. 4.12 видно, что когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е_m.

В то время когда ток через диод не протекает, конденсатор разряжается через нагрузку R_Н. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается. Зарядка конденсатора С через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разрядка через большое сопротивление нагрузки происходит медленно. Вследствие этого пульсации на R_Н резко снижаются, а постоянная составляющая выпрямленного напряжения уже составляет (0,8 ¸ 0,95)Е_m.

Необходимо отметить, что весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду, ток станет недопустимо большим для диода и может произойти тепловой пробой.

На рис. 4.13 приведена схема и временные диаграммы двухполупериодного (мостового) выпрямителя. Схема содержит трансформатор, включенный в генераторную диагональ диодного моста, сопротивление R_М, включенного в другую – нагрузочную диагональ. Общая точка катодов VD1 и VD3 является положительным полюсом, а общая точка анодов VD2 и VD4 – отрицательным.

Если принять, что в первый полупериод потенциал верхнего конца вторичной обмотки положителен, то диоды VD1 и VD4 , будут открыты и в цепи нагрузки потечет ток. Вo второй полупериод полярность вторичной обмотки изменится, откроются диоды VD2 и VD3, и ток вновь потечет по цепи нагрузки, причем в обоих случаях направление тока в нагрузке будет одинаковым. Среднее значение напряжения за один период будет в 2 раза больше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя, т.е.:

U_СР = 2U_MAX / p = 0, 636 U_MAX (4.12)

Для сглаживания пульсаций и приближения среднего значения напряжения на нагрузке к выпрямляемому значению, используют сглаживающие фильтры.

Примеры использования стабилитронов

Примером использования стабилитронов может служить схема параллельного параметрического стабилизатора напряжения, приведенная на рис. 4.14.

Из ВАХ стабилитрона (рис 4.6,б) видно, что до наступления электрического пробоя обратный ток имеет очень малое значение, а в режиме пробоя он получается таким же, как и прямой ток, а обратное напряжение – в малых пределах.

Поэтому этот участок характеристики можно использовать для стабилизации напряжения. В схеме на рис. 4.14 нагрузка – потребитель, включена параллельно стабилитрону.

Если входное напряжение E начнет изменяться в ту или иную сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а, следовательно, и на нагрузке останется почти постоянным. Для обеспечения U_СТ на нагрузке необходимо поддерживать режим электрического пробоя стабилитрона, а это возможно, если поддерживать его ток в пределах I_MIN ¸ I_MAX. Это обеспечивается выбором номинала ограничивающего резистора. Его значение определяется из соотношения:

R_ОГР = (E_СР – U_СТ) / (I_СР + I_Н), (4.13)

где Е_СР = 0,5(Е_MIN + Е_MAX) – среднее напряжение источника;

I_СР = 0,5(I_MIN + I_MAX) – средний ток стабилизатора;

I_Н = U_СТ / R_Н – ток нагрузки.

Это соотношение необходимо использовать при постоянном сопротивлении нагрузки и нестабильном напряжении источника питания.

Другим возможным режимом является, когда Е = const, а R_Н изменяется в пределах R_{Н MIN} ¸ R_{Н МАХ}. При этом значение ограничивающего резистора определяется из следующего соотношения:

R_ПР = (E – U_СТ) / (I_СР + I_{Н СР}), (4.14)

где I_{Н СР} = 0,5(I_{Н MIN} +I_{Н МАХ}), причем

I_{H MIN} = U_CT / R_{H MAX} и I_{H MАХ} = U_CT / R_{H MIN}.

Работу схему в этом режиме можно объяснить следующим образом. Поскольку R_ОГР постоянно и падение напряжения на нем, равное Е - U_СТ, также постоянно, то и ток, протекающий через R_ОГР, равный I_СР + I_{Н СР}, должен быть постоянным. Но это возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток I_Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны и их сумма остается неизменной.

Примеры использования варикапов

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например в так называемых параметрических усилителях, в качестве конденсаторов переменной емкости.

На рис. 4.15 приведена простейшая схема включения варикапа в колебательный контур.

Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура, управляя емкостью варикапа электрическим образом.

Контрольные вопросы

1. Какой электронный прибор называется полупроводниковым прибором?

2. Изобразите ВАХ маломощного диода и поясните режимы работы. Объясните режимы работы с точки зрения физических процессов.

3. Какими физическими явлениями объясняется лавинное размножение носителей зарядов в режиме электрического пробоя?

4. Какие явления происходят при туннельном эффекте?

5. Почему тепловой пробой электронно-дырочного перехода является необратимым?

6. Какие из режимов работы диода имеют практическое применение? В каких видах диодов?

7. Какими видами емкости характеризуется р-n переход?

8. Чем объясняется возникновение барьерной емкости, от чего зависит ее значение?

9. Каков порядок барьерной емкости диодов?

10. Чем объясняется возникновение диффузионной емкости, от чего зависит ее значение?

11. Приведите эквивалентные схемы полупроводникового диода для различных частот рабочего напряжения и поясните влияние емкостей перехода на его работу?

12. Какое влияние на режимы работы диода оказывает температура?

13. Какое условно-графическое обозначение имеет полупроводниковый диод? Как по УГО определяются направления прямого и обратного токов?

14. Какой режим работы диода называется рабочим?

15. С какой целью и как строится линия нагрузки диода?

16. Перечислите основные типы полупроводниковых диодов.

17. Охарактеризуйте выпрямительный диод. В чем заключается вентильный эффект?

18. Перечислите достоинства кремниевых диодов.

19. Перечислите основные электрические параметры выпрямительных диодов.

20. Приведите классификацию выпрямительных диодов.

21. Какие диоды называются точечными?

22. Какие диоды называются плоскостными?

23. Какие диоды называются стабилитронами?

24. На каком участке ВАХ полупроводникового диода работает стабилитрон? Почему?

25. Чем объясняется сравнительно высокое значение напряжения теплового пробоя стабилитрона?

26. Приведите условно-графическое обозначение стабилитрона.

27. Какими электрическими параметрами характеризуется стабилитрон?

28. Какой диод называется варикапом?

29. Приведите условно-графическое обозначение варикапа.

30. Какими электрическими параметрами характеризуется варикап?

31. Укажите особенности, поясните ВАХ диода Шотки.

32. Приведите достоинства диода Шотки и область применения.

33. Поясните особенности и ВАХ туннельного диода.

34. Приведите условно-графическое обозначение и область применения туннельного диода.

35. Приведите схему однополупериодного выпрямителя переменного тока, временные диаграммы, поясните принцип действия.

36. Как определяется значение напряжения на нагрузке в однополупериодном выпрямителе?

37. Какой способ используют для сглаживания пульсаций на выходе однополупериодного выпрямителя?

38. Из каких соображений осуществляют выбор значения емкости сглаживающего фильтра?

39. Приведите схему, временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя переменного тока, поясните принцип действия.

40. Как определяется значение напряжения на нагрузке в двухполупериодном выпрямителе?

41. Приведите схему параметрического стабилизатора напряжения. Поясните принцип стабилизации.

42. Из каких соображений осуществляют выбор значения ограничивающего резистора?

43. Поясните систему обозначений полупроводниковых диодов.