Эквивалентные схемы диодов для переменного тока. Выпрямительные диоды. Специальные типы диодов

Эквивалентные схемы диодов для переменного тока Обобщенная эквивалентная схема диода представлена на рис.1. Рис.1. Обобщенная эквивалентная схема полупроводникового диода: R0 – сопротивление n− и p−областей и контактов; нлRнл – нелинейное сопротивление перехода; барCбар, дифCдиф – емкости; вCв, L – емкость и индуктивность выводов Рассмотрим некоторые частные случаи. 1. Низкие частоты, прямое напряжение (рис.2). Рис.2. Эквивалентная схема диода на низких частотах при прямом напряжении 2. Низкие частоты, обратное напряжение (рис.3) Рис.3. Эквивалентная схема диода на низких частотах при обратном напряжении 3. Высокие частоты, прямое напряжение (рис.4). Рис.4. Эквивалентная схема диода на высоких частотах при прямом напряжении 4. Высокие частоты, обратное напряжение (рис.5). Рис.5. Эквивалентная схема диода на высоких частотах при обратном напряжении Основные типы диодов и их параметры Условное обозначение выпрямительного полупроводникового диода и его структура приведены на рис.6. Электрод, подключенный к области p, называют анодом, а электрод, подключенный к области n, – катодом. Рис.6. Условное обозначение выпрямительного диода и его структура Классификация полупроводниковых диодов 1. По конструктивному исполнению различают диоды плоскостные и точечные. Они отличаются площадью p−n перехода. Первые используются при больших токах. У вторых меньше емкость. 2. По технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды. 3. По назначению выделяют выпрямительные и специальные типы диодов. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Специальные типы диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков ВАХ с отрицательным сопротивлением и др. Выпрямительные диоды В зависимости от частоты и формы переменного напряжения выпрямительные диоды делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Основные параметры выпрямительных диодов 1. Максимально допустимое обратное напряжение диода обрUобр max. Это значение напряжения, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (десятки – тысячи вольт). 2. Максимально допустимый постоянный прямой ток прIпр max (сотни миллиампер – десятки ампер). 3. Постоянное прямое напряжение при заданном прямом токе пр(Uпр). Например, прВUпр≤0.5 В при прмАIпр=300мА. 4. Обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении (доли микроампер – несколько миллиампер). Импульсные диоды характеризуются малой длительностью переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От обычных выпрямительных диодов они отличаются малой емкостью p−n перехода (доли пикофарад) и рядом специфических параметров: 1. Общая емкость диода прпФCпр≈1пФ. 2. Максимальное импульсное прямое напряжение приUпр. и max. 3. Максимально допустимый импульсный ток приIпр. и max. 4. Время прямого восстановления диода воспрtвос. пр –время, в течение которого напряжение на диоде устанавливается от нуля до заданного значения (доли наносекунд – доли микросекунд) - рис.7. 5. Время обратного восстановления диода вособрtвос. обр – интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигнет заданного значения (доли наносекунд – доли микросекунд) - рис.7. Переходные процессы в диоде обусловлены зарядом, накопленным в базе при инжекции. В быстродействующих цепях находят применение диоды Шоттки, основанные на работе перехода металл – полупроводник. Специальные типы диодов Условные обозначения некоторых типов диодов приведены на рис.8. Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена Рис.7. Импульсный режим работы диода Рис.8. Условные обозначения некоторых типов полупроводниковых диодов на рис.9. Из рисунка видно, что в широком диапазоне изменения тока напряжение на стабилитроне меняется незначительно. Параметры стабилитронов 1. Напряжение стабилизации стUст – падение напряжения на стабилитроне при заданном токе стабилизации (несколько вольт – десятки вольт). 2. Максимальный стIст.max и минимальный стIст.min - токи стабилизации (единицы миллиампер – единицы ампер). 3. Дифференциальное сопротивление на участке пробоя (доли Ом – тысячи Ом). 4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации.  Рис.9. Вольт-амперная характеристика стабилитрона СТСТСТ(1)αСТ=ΔUСТUСТΔT, Эта величина обычно составляет тысячные доли процента. Маркировка диодов Маркировка диодов обычно включает в себя четыре позиции: 1. Материал диода: 1 или Г – германий, 2 или К – кремний, 3 или А – арсенид галлия. 2. Класс диода: Д – выпрямительный, А – СВЧ-диод, В – варикап, С – стабилитрон, И – туннельный диод и др. 3. Область применения прибора: 101-399 – выпрямление переменного тока, 401 – 499 – ВЧ- и СВЧ-цепи, 501-599 – импульсные схемы, 601 – 699 – варикапы (полупроводниковые конденсаторы с регулируемой емкостью). 4. Конструктивные или другие особенности диода (последняя буква в маркировке). Например, КС196В – кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В. Последние две цифры в маркировке указывают напряжение стабилизации (9.6 В). Применение полупроводниковых диодов Полупроводниковые выпрямители. Выпрямители входят в состав источников питания электронных схем и предназначены для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 10, осциллограммы работы – на рис. 11. Рис. 10. Схема однополупериодного выпрямителя. Рис.11. Осциллограммы работы однополупериодного выпрямителя. Ток через диод Н(IН) проходит в НRН только в положительные полупериоды напряжения вхUвх. При вхUвх<0 диод закрыт. I0 – постоянная составляющая тока (среднее значение за период). Разность между максимальным и минимальным значением выходного напряжения называется напряжением пульсаций. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке: НН(2)U0=I0⋅RН=Imaxπ⋅RН=Umaxπ, где Umax – амплитуда выходного напряжения. Схема двухполупериодного выпрямителя (рис. 12). Осциллограммы токов и напряжений приведены на рис. 13. Рис. 12. Схема двухполупериодного выпрямителя. Рис. 13. Осциллограммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя. Напряжение вхUвх в положительный полупериод открывает диоды VD1, VD3, и ток нагрузки протекает по цепи нVD1−Rн−VD3 от точки A к точке B (I1,3). Диоды VD2, VD4 закрыты. В отрицательный полупериод напряжение Uвх открывает диоды VD2, VD4 и ток I2,4 течет от точки B к точке A по цепи нVD2−Rн−VD4. Т.е. ток через нагрузку проходит в одном и том же направлении оба полупериода. Постоянная составляющая напряжения на выходе: (3)U0=2π⋅Umax Она в два раза выше, чем в однополупериодной схеме. Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя применяют фильтры. Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя (рис. 14). Во время возрастания напряжения конденсатор запасает энергию. Когда напряжение снижается, он отдает энергию, разряжаясь на сопротивлении нагрузки (рис. 15). Рис. 14. Рис. 15. Чем больше емкость фильтра, тем медленнее происходит разряд конденсатора, тем меньше напряжение пульсаций. Это напряжение также уменьшается с ростом нагрузки, поскольку конденсатор будет разряжаться меньшим током (более медленно). Диодные ограничители напряжения. Основная функция положительных диодных ограничителей заключается в том, чтобы повторять входное напряжение, если оно не превышает заданный порог, а при превышении – поддерживать выходное напряжение на пороговом уровне. Отрицательные ограничители работают аналогично: напряжение на выходе повторяет входное, если оно выше порогового уровня. Схема шунтирующего ограничителя приведена на рис. 16. Осциллограммы – на рис. 17. При вхUвх>0диод закрыт и выхвхUвых=Uвх. Если вхUвх<0, то открывается диод и напряжение на выходе поддерживается постоянным на уровне прямого напряжения на диоде (порядка 1 В). Рис. 16. Схема шунтирующего ограничителя. Рис. 17. Осциллограммы шунтирующего ограничителя. Схема шунтирующего ограничителя со смещением приведена на рис. 18. Осциллограммы – на рис. 19. Если вхВпрUвх>(5В−Uпр), то диод закрыт. выхвхUвых=Uвх. При меньшем входном напряжении выходное ограничивается на уровне проколоВU=5−Uпр (около 4В). Рис. 18. Схема шунтирующего ограничителя со смещением. Рис. 19. Осциллограммы шунтирующего ограничителя со смещением.