Напівпровідниковий діод

В електронній техніці часто буває необхідним забезпечити протікання струму тільки в одному напрямку. Зазвичай, для цієї цілі використовують напівпровідникові діоди.

Н апівпровідниковий діод – це двохелектродний напівпровідниковий прилад, електропровідність якого суттєво змінюється при зміні полярності прикладеної до нього напруги.

Рис.8.1. Позначення напівпровідникового діода на електричних схемах

На рис. 8.1 показано умовне позначення діода на електричних схемах. Електрод, що знаходиться ліворуч називають анодом, а інший – катодом. Розрізняють пряме і обернене підключення діода.

При прямому підключенні на анод подається додатний потенціал (+), а на катод від’ємний (-). При такій полярності прикладеної до діода напруги через нього протікає електричний струм від аноду до катоду.

На рис. 8.2 показана електрична схема прямого підключення діода.

Рис. 8.2. Пряме включення діода

Н а рис. 8.3 показана схема оберненого включення діода.

Рис. 8.3. Обернене включення діода

Струм від високого потенціалу джерела струму (+) протікає через діод і лампочку розжарювання до низького потенціалу (-). Сила струму у колі достатньо велика і лампочка розжарювання світиться. При прямому включенні діод має дуже малий опір R_пр. Вважається, що до діода прикладена напруга в прямому напрямі U_пр, і через нього тече прямий струм I_пр.

Полярність підключення джерела струму і, відповідно, полярність прикладеної до діода напруги змінюються у порівнянні із прямим підключенням. Тепер до аноду прикладається низький потенціал (-), а до катоду навпаки – високий (+). В цьому випадку напругу на діоді називають оберненою U_об, опір діода – оберненим R_об, який виявляється дуже великим, а обернений струм у колі I_об в сотні або тисячі разів менше, ніж при прямому включенні діода. Лампочка розжарювання не світиться. Практично, можна вважати, що струм через діод в оберненому напрямку не проходить.

Випрямлення змінного струму

Властивість діода пропускати струм в одному напрямку використовують, зокрема, в випрямлячах для перетворення змінного струму у постійний.

С хема найпростішого випрямляча на базі напівпровідникового діода приведена на рис. 8.4,б.

а) б) в)

Рис. 8.4. Схема напівперіодного випрямляча

Нехай на вхід схеми поступає змінна напруга , яка змінюється за синусоїдальним законом. При додатних напівперіодах напруга на діоді є прямою ((+) прикладається до аноду, (-) до катоду) і діод пропускає електричний струм.

При від’ємних напівперіодах напруга на діоді обернена, діод пропускає дуже малий обернений струм . Діод нібито “зрізає” більшу частину від’ємних імпульсів змінного струму (рис. 8.4,в). В результаті, через навантажувальний опір тече пульсуючий струм одного напряму, який створює на резисторі пульсуючу напругу . Цей процес називається випрямленням змінного струму. Для зменшення пульсацій паралельно навантажувальному опору підключають фільтруючий конденсатор (рис. 8.5,б).

І_випр

а) б) в)

Рис. 8.5. Схема випрямляча з фільтруючим конденсатором

Конденсатор заряджається імпульсами струму. Якщо ємність конденсатора достатньо велика, то за час між імпульсами він не буде встигати повністю розряджатися і в навантажувальному опорі буде неперервно підтримуватися струм . На рис. 8.5,в цей струм показаний суцільною хвилястою лінією. Якщо потрібно більш якісне згладжування, використовують фільтри нижніх частот.

В розглянутих випрямлячах корисно використовується енергія половини періода змінного струму, тому такі випрямлячі називають півперіодними.

На практиці частіше використовують двохнапівперіодні випрямлячі. На рис. 8.6 показана схема такого випрямляча, зібраного по мостовій схемі на чотирьох діодах.

а) б) в)

Рис. 8.6. Мостовий діодний випрямляч

В такому випрямлячі при додатному напівперіоді вхідної напруги верхня вхідна клема має вищий потенціал, а нижня клема – нижчий. Діоди VD2 і VD4 включені в прямому напрямку, а діоди VD1 і VD3 – в оберненому, тому струм проходить через діод VD2, навантажувальний опір і діод VD4.

При від’ємному напівперіоді навпаки – потенціал нижньої клеми вище за верхню. В прямому напрямку включені діоди VD1 і VD3. Струм протікає від нижньої додатної клеми через діод VD3, резистор , діод VD1. Отже, через навантажувальний резистор струм тече весь час в одному напрямку (рис. 8.6,в).