Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный ток.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода несколько отличается от вольтамперной характеристики р-n-перехода. Отличие прямых ветвей характеристик начинает проявлятся с увеличением прямого тока. С ростом прямого тока все больше сказывается влияние объемного сопротивления базы диода r_б. Падение напряжения в базе U_б = I_прr_б растет быстро и линейно, а напряжение на р-n-переходе U_р-n= U_пр-U_б медленно. Вследствие этого прямая ветвь выпрямительного диода идет более полого, чем прямая ветвь на р-n-переходе (рис. 5). В этом режиме прямой ток диода в основном определяется сопротивлением базы и линейно зависит от приложенного прямого напряжения. Этот участок характеристики называют омическим и он соответствует ее основной рабочей области.

Рис. 4. Плоский р-n переход.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода при обратном включении (обратная ветвь), также отличается от вольтамперной характеристики р-n-перехода (рис. 5).

Обратный ток диода не остается постоянным и равным тепловому току проводимости I₀. Он всегда растет с увеличением обратного напряжения. Главной причиной отклонения обратных ветвей выпрямительного диода и р-n-перехода является ток термогенерации в объеме перехода. Это явление состоит в том, что при высоком обратном напряжении неосновные носители заряда приобретают большую скорость под действием ускоряющего поля р-n-перехода и, ударяя атомы кристаллической решетки в области р-n-перехода, выбивают из них новые электроны, которые в свою очередь разгоняются ускоряющим полем и также выбивают из атомов электроны.

При некотором значении обратного напряжения возникает тепловой пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает, а сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Область теплового пробоя показана на рис. 5 штриховой линией. Резкое возрастание обратного тока сопровождается выделением большого количества тепла. Тепловыделение не компенсируется теплоотводом. Тепловой пробой необратим, т.к. он сопровождается разрушением вещества р-n-перехода.

По типу применяемого исходного материаласобственного полупроводника выпрямительные диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Наибольшее распространение получили кремниевые диоды. В кремниевых выпрямительных диодах обратные токи I_обр на несколько порядков меньше, а допустимое обратное напряжение U_обр существенно выше, чем у германиевых (у кремниевых диодов до 2000 В, у германиевых до 400 В).

Рис. 5. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

Рабочие диапазоны температур кремниевых диодов находятся в пределах – 60⁰ ÷ + 125⁰С, германиевых – 60⁰ ÷ + 85⁰С. Невысокий верхний предел рабочих температур германия обусловлен тем, что при Т > 85⁰С тепловая генерация носителей заряда становится настолько высокой, что происходит резкое возрастание обратного тока и эффект выпрямления практически исчезает. Однако несмотря на перечисленные преимущества кремниевых диодов, германиевые диоды целесообразнее применять в выпрямительных устройствах низкого напряжения. У германиевых диодов прямая ветвь вольтамперной характеристики значительно круче, чем у кремниевых, в результате при одинаковом токе нагрузки значение сопротивления германиевых диодов в прямом направлении будет в полтора-два раза меньше, чем у кремниевых. Следовательно, и потери мощности, рассеиваемой в германиевом диоде, будут в полтора-два раза меньше, чем у кремниевых.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- прямое напряжение U_пр, которое нормируется при определенном прямом токе;

- максимально допустимый прямой ток диода I_{пр макс}, значение которого ограничивается максимальной мощностью Р_макс, рассеиваемой диодом и определяющей его разогрев;

- максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр макс}, превышение которого ведет к пробою р-n-перехода;

- обратный ток диода I_обр, который нормируется при определенном обратном напряжении;

- максимальная частота переменного тока f_макс, подводимого к диоду, при превышении которой диод теряет свои выпрямительные свойства.

Максимально допустимые параметры диода снижаются при повышении температуры.

Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Действие полупроводниковых стабилизаторов основано использовании лавинного пробоя р-n-перехода, при котором происходит резкое увеличение обратного тока при незначительном изменении обратного напряжения. Это свойство использовано для стабилизации напряжения в электрических цепях. Лавинный пробой характерен для стабилитронов, изготовленных на основе полупроводника с большой шириной запрещенной зоны. Исходным материалом для стабилитронов служит кремний. Кремний обладает малым тепловым током I₀ и устойчивыми характеристиками в широком диапазоне температур.

Для работы в стабилитронах используется крутой участок вольтамперной характеристики обратного стабилитрона (участок АВ рис. 6), в пределах которого резкие изменения обратного тока сопровождаются весьма малыми изменениями обратного напряжения.

Состояние лавинного пробоя не ведет к тепловому пробою p-n-перехода диода, а является его нормальным рабочим состоянием. Участок вольтамперной характеристики от I_{ст мин} до I_{ст макс} используется для стабилизации напряжения в электрических цепях.

На рис. 6 изображена схема стабилизации постоянного напряжения на нагрузке R_н с использованием стабилитрона. С увеличением, например, входного напряжения возрастут ток I в общей цепи и ток через стабилитрон I_ст. Увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R_б. Напряжение на стабилитроне U_ст и на нагрузке R_н останется практически неизменным.

Рис. 6. Вольтамперная характеристика и схема включения стабилитрона

Основными параметрами, которыми характеризуется стабилитрон, являются:

- напряжение стабилизации U_{ст н} – падение напряжения на стабилитроне при номинальном значении тока стабилитрона I_{ст н} (величина U_{ст н} зависит от положения рабочей точки 0 стабилитрона);

- максимальный I_{ст макс} и минимальный I_{ст мин} токи стабилизации, определяющие рабочую область вольтамперной характеристики стабилитрона;

- дифференциальное сопротивление стабилитрона r_{ст диф} , которое характеризует качество стабилитрона, т.е. его способность стабилизировать напряжение при изменении проходящего через него тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше его дифференциальное сопротивление. Дифференциальное сопротивление определяется отношением приращения напряжения на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока:

;

α_ст - температурный коэффициент напряжения ТНК стабилизации, равный отношению относительного изменения напряжения к абсолютному изменению температуры окружающей среды, выраженной в процентах

.

В современных стабилитронах α_ст имеет значение от – 0,1 до 0,2^%/⁰_С.