58

Курс лекций Техническая электроника

Лекция 6 Полупроводниковые диоды

6.1 Выпрямители

Выпрямитель представляет собой плоскостной диод, спроектированный специально для выпрямление переменного тока. Он должен обладать очень низким сопротивлением для тока, протекающего в одном направлении и очень высоким сопротивлением - в другом направлении. Прямое и обратное сопротивление выпрямителя легко находятся из формулы вольт-амперной характеристики реального перехода:

, (6.1)

где Js - ток насыщения, множитель n обычно принимает значения между 1 (диффузионный ток) и 2 (рекомбинационный ток). Из формулы (6.1) можно определить прямое сопротивление на постоянном токе:

для V > 3kT/q, (6.2а)

также и динамическое сопротивление на переменном токе(малом сигнале): т.к. из (6.1) , то

¹ (6.2б)

Также можно определить обратные сопротивление на постоянном и переменном токе:

для V> 3kT/q (6.3a)

Из полученных выражений можно определить коэффициент выпрямления на постоянном токе R_R/R_F и на переменном токе r_R/r_F.

Переключение из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением происходит не мгновенно. На рисунке 6.1 приведена простейшая схема переключения диода и сопутствующие переходные процессы.

Через pn переход протекает ток I_F. В момент времени t=0 ключ S мгновенно переводится в правое положение, и некоторое время t₁ через переход протекает ток I_R .Время переключения определяется как время t₁+t₂, в течение которого ток уменьшается до значения 0,1I_R.

Рисунок 6.1 - Переходные процессы в pn переходе

 - простейшая схема переключения, б - изменение тока при переключении за время t₁+t₂, в - изменение напряжения, г - распределение носителей в различные моменты времени.

Выпрямители обычно обладают низкой скоростью переключения или обладают большой задержкой. Однако такая задержка, пропорциональная времени жизни неосновных носителей, не имеет значения при выпрямлении переменного тока с частотой 60 Гц.

Схема выпрямления представлена на рисунке 6.2

Рисунок 6.2 - Диодный мост - электрическая схема, предназначенная для преобразования переменного тока в пульсирующий

На вход (Input) схемы подаётся переменное напряжение (обычно, но не обязательно синусоидальное) (см. верхний график на рис.6.3). В каждый из полупериодов ток проходит только через 2 диода, 2 других — заперты:

В результате, на выходе (DC Output) получается напряжение, пульсирующее с частотой, вдвое большей частоты питающего напряжения (см: нижний график на рис. 6.3)

Рисунок 6.3 – Вид входного и выходных сигналов диодного моста

Для сглаживания пульсаций в схему диодного моста добавляют конденсатор и резистор, как показано на рисунке 6.4

Рисунок 6.4 - схема выпрямителя с фильтром из конденсатора

Для сохранения эффективного выпрямления на больших частотах следует существенно уменьшать время жизни неосновных носителей, например путём введения в полупроводник примесных центров (например золота), чей энергетический уровень расположен близко к середине запрещённой зоны кремния и представляет собой эффективный центр рекомбинации неосновных носителей.

Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80^оС, кремниевые до 120-150^оС, арсенид-галлиевые до 150^оС.

Основные параметры выпрямительных диодов:

U_{обр,макс} –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;

I_вып,ср - средний выпрямленный ток;

I_пр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;

U_пр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;

P_ср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

r_диф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Обозначения диодов: