3.6.Типові функціональні пристрої

Розглянемо найбільш поширені електронні пристрої на базі НД, за допомогою яких відбувається керування електронними потоками та реалізуються відповідні процеси перетворення електричних інформаційних сигналів.

3.6.1. Випрямлячі

Випрямлення змінного струму – один з поширених процесів в електро-техніці та радіоелектроніці. У випрямлячах енергія змінного струму перет­ворюється в енергію постійного струму. Принцип випрямлення полягає у пропусканні змінного струму через вентильні елементи електричного кола. Для реалізації такого процесу використовують різку несиметрію ВАХ р-п‑переходу. Використовуються спеціальні НД – випрямні. Напівпровідникові діоди є вентильними елементами. У разі перетворення промислового змінного струму робоча частота становить 50 Гц. Верхня межа робочих чатот випрямних діодів зазвичай не перевищує 50 Гц...100 кГц.

Найпростішу схему для випрямлення змінного струму показано на рис. 3.2. Таку схему називають однофазною однопівперіодною.

Інші, складніші схеми

для випрямлення (двофазні, мостові, трифазні, двотактні та ін.) являють собою комбінацію кількох однофазних однотактни­х.Розглянемо роботу найпростішого випрямляча. Будемо вважати, що на вторинній обмотці трансформатора напруга змінюється за синусоїдальним законом U₂(t) = U_m sin t (рис. 3.3, а). Такий сигнал є типовим в силових мережах (220В, 50 Гц ). Синусоїдальний сигнал – симетричний сигнал, а тому постійна складова відсутня. Зазвичай для живлення РЕА використовуються джерела постійного струму, для чого використовуються випрямлячі.

Спочатку розглянемо роботу схеми без конденсатора (без фільтра). Протягом одного півперіоду (позитивного) напруга для діода є прямою, проходить струм і(t), який спричиняє на резисторі навантаження R_н спад напруги u_н(t) (рис. 3.5, б). Протягом наступного півперіоду (негативного) напруга для діода є зворотною, струму майже немає i тому u_н = 0 Отже, через діод i резистор навантаження проходить пульсуючий струм. Це одно направлений, випрямлений струм. Biн створює на резисторі R_н випрямлену напругу. Опip навантаження, як правило, в багато разів більший від опору діода, i тоді нелінійністю діода можна знехтувати. У цьому разі випрям­лений струм має форму імпульсів, наближену до півсинусоїди з максимальним значенням І_max (рис. 3.3, б). Цей самий графік струму в іншому масштабі відображає випрямлену напругу u_н, оскільки u_н = ІR_н.

Графiк рис. 3.3, в зображає напругу на діоді u_д. Амплітуди позитивних i негативних півперіодів U_R значною мipою відрізня-

ються одна від одної. Це пояснюється тим, що коли проходить прямий струм, то більша частина напруги спадає на резисторі навантаження R_н, oпip якого значно перевищує прямий опір діода. В даному випадку випрямляч можливо розглядати як подільник напруги (1.5.2.) коефіцієнт передачі якого завдяки асиметрії ВАХ НД автоматично установлюється рівним одиниці в позитивний на півперіод і рівним нулю – в негативний.

Для звичайних НД пряма напруга не перевищує 1...2 В. Протягом негативного півперіоду струм через навантаження не протікає. Уся напруга вторинної обмотки трансформатора, прикладена до діода, i є для нього зворотною напругою U_R.

Отже, максимальне значення зворотної напруги U_Rmax дорівнює амплітуді синусоїдального сигналу вторинної обмотки трансформатора U_m. Як видно з рис. 3.3, б, випрямлений струм I_н – пульсуючий. Протягом негативного півперіоду I_н = 0, на­пруга на навантаженні не формується. Корисною часткою такого струму є його постійна складова або середнє за період значення струму діода I_F(AV) (рис. 3.3, б). Нескладні розрахунки показують, що в цьому випадку (за відсутності фільтра ):

I_F(AV) = 0,318 I_m.

На резисторі навантаження такий струм формує відповідну напругу.

Для оцінки ступеня наближення пульсуючої напруги до постійної користуються коефіцієнтом пульсації К_п, який являє собою відношення амплітуди змінної складової випрямленої напруги U_~ до постійної складової U_сер (середнього значення випрямленої напруги):

К_п=U_~ /U_сер. ( 3.7.)

Під змінною складовою випрямленої напруги найчастіше розуміють першу гармоніку складного ( пульсуючого) сигналу , яка описується законом зміни випрям­леної напруги u_н(t) ( струму) (рис. 3.3,б). Для однофазного однопівперіодного випрямляча коефіцієнт пульсації випрямленої напруги К_п = 1,57 = 157 %. Це свідчить про те, що амплітуда першої гармоніки пульсації у 1,57 раза перевищує постійну складову випрямленої напруги.

Для зменшення коефіцієнта пульсацій використовують згладжувальні фільтри, для чого у схеми вмикають конденсатори великої ємності та дроселі з великою індуктивністю.

Розглянемо роботу випрямляча з резистивно-ємнісним навантаженням. Паралельно опору навантаження R_н підключають конденсатор великої ємнocті

( рис. 3.2). Це істотно змінює умови роботи діода. Конденсатор добре згладжує пульсації, якщо його ємність така, що забезпечує нерівність 1/(c) << R_н. Тобто, необхідні параметри фільтра (ємність конденсатора ) визначаються опором (струмом) навантаження та частотою струму у вторинній обмотці трансформатора.

Протягом деякого часу позитивного півперіоду, коли на діод подається пряма напруга, через нього проходить струм, який заряджає конденсатор до напруги, наближеної до U_m. У той час, коли струм через діод не проходить, конденсатор розряджається через опір навантаження R_н і створює на ньому напругу, яка поступово зменшується. У кожний наступний позитивний півперіод, коли напруга живлення ( на вторинній обмотці трансформатора) за абсолютною величиною перевищує напругу на ємності ( |u| > u_c = u_н ) діод відкривається, конденсатор підзаряджається i його напруга знову підвищується (рис. 3.3, г). Конденсатор заряджається через порівняно малий oпip діода, а розряджається через oпip навантаження. Унаслідок цього напру­га на конденсаторі та навантаженні пульсує незначно. Kpiм того, конденсатор різко підвищує постійну складову випрямленої напруги, а за досить великої ємності U_н = U_с i наближається до U_m.

Отже, в однофазному однотактному випрямлячі конденсатор підвищує випрямлену напругу приблизно в три рази. Такі випрямлячі використовують для живлення малопотужних електричних та радіоелектронних кіл. Максимальна зворотна напруга на діоді установлюється в негативний півперіод, коли u₂ = U_m. Напруга конденсатора також майже дорівнює U_m, тоді найбільша зворотна напруга досягає значення 2U_m. Для побудови випрямлячів за такими схемами необхідно використовувати діоди, максимально допустима зворотна напруга яких вдвічі перевищує амплітуду сигналу на вторинній обмотці трансфоматора.

З метою засвоєння принципів побудови випрямлячів та набуття навиків їх «монтажу» сформуйте моделы в середовищі MS. Дослідіть вплив на коефіцієнт пульсації струму навантаження, оцініть співвідношення сталої часу фільтра (τ ) та тривалості періода вхідних коливань ( Т ). За рахунок зміни сталої часу RC-фільтра досягніть вихідних сигналів, форма яких подана на рис.3.5. Визначте коефіцієнти пульсацій. Частота вхідних сигналів 100 Гц…10 кГц, амплітуда 1…10 В.

Рис. 3.4. Дослідження однопівперіодного випрямляча в середовищі MS

Р ис. 3.5.Осцилограма на вході та виході випрамляча:

а) вхідний сигнал

б)вихідний сигнал за відсутності фільтра (коефіцієнт пульсації 1,57);

в) вихідний сигнал з пульсаціями 0.7;

г)вихідний сигнал з пульсаціям

За максимально допустимим випрямленим струмом діоди поділено на три групи: НД малої потужності (I_F   0,3 А), НД середньої потужності (0,3 А   I_F   10 А) та потужні (силові) діоди (I_F   10 А).

До параметрів НД належать також діапазон температур навколишнього середовища (для кремнієвих діодів зазвичай від мінус 60 до +125 єС, для германієвих від мінус 60 до +75 єС) та максимальна температура корпусу.

Для перетворення змінного струму в постійний у схемах з напругою, яка перевищує гранично допустиму зворотну напругу окремого діода, промис­ловість випускає випрямні стовпи. Це декілька випрямних НД, з’єднаних послідовно і складених в єдину конструкцію з двома виводами. Максималь­на допустима зворотна напруга кремнієвих випрямних стовпів становить декілька кіловольтів. Для випрямлення струму, який перевищує значення, допустиме для одного діода, використовують паралельне ввімкнення діодів.

Для зручності використання випрямних діодів у випрямлячах промисловість випускає випрямні напівпровідникові блоки. Такі блоки складаються з випрямних НД, з’єднаних за певною електричною схемою в єдину конструкцію, що має більше двох виводів. Найчастіше використовують з’єднання діодів за мостовими схемами ( рис.3.6.)

Підкреслимо особливості цієї схеми: - струм в навантажені протікає як в позитивний так і в негативний півперіоди, що забезпечує збільшення вдвічі частоти пульсацій (рис.3.7.), а відтак – зменшення значення сталої часу ( зменшення величини ємності конденсатора ) для забезпечення заданного коефіцієнта пульсацій; - до загальної точки схеми підключається лише один вивід моста, як показано на рис. 3.6.

Побудуйте модель мостового випрямляча в середовищі MS та дослідіть значення пульсацій напруги на навантажені при 20%, 50%, 90% ємності конденсатора фільтра. Частота вхідних сигналів установляється в межах 100 Гц… 10 кГц., амплітуда 1…10 В. Експериментально визначте ємність конденсатора фільтра, за якої коефіцієнт пульсацій не перевищить 0.1. Порівняйте обидві досліджені схеми випрямлячів.

Рис. 3.6 Випрямляч за

мостовою схемою

Рис. 3.7 Осцилограми нa вході (а) та виході (б)

Особливості германієвих та кремнієвих випрямних діодів зрештою пов’язані з різницею ширини заборонених зон напівпровідникових матеріалів ∆W (у германії 0,72 еВ, у кремнії 1,12 еВ). Випрямні діоди, виготовлені з напівпровідникового матеріалу з більшою шириною забороненої зони, мають суттєві переваги щодо якості та параметрів. Тому для виготовлення НД почали використовувати арсенід галію, ширина забороненої зони якого при кімнатній температурі ∆W = 1,43 еВ. Позитивними особливостями арсенід-галієвих випрямних діодів є знач­но більший діапазон робочих температур (до 250 С) та поліпшені частотні властивості. Деякі типи таких діодів спроможні працювати в діапазоні частот до 1 МГц. Але арсенід-галієві прилади мають невеликий максимально допустимий прямий струм, значний спад прямої напруги (до 3 В), низь­ке значення пробивної напруги.

Тенденції до одночасного збільшення граничних струму і напруги, підвищення швидкодії та зменшення прямої напруги перешкод­жають фізичні обмеження. Наприклад, для збільшення струму необхідно збільшувати площу електричного переходу, а це призводить до збільшення ємності і зменшення граничної частоти. Таку задачу вирішують за допомогою діодів Шотткі.

3.6.2. Високочастотні діоди

Високочастотні діоди – це напівпровідникові прилади універсального призначення. Вони об’єднують цілу групу НД, які використовуються для нелінійної обробки високочастотних сигналів. Їх застосовують як і випрямні діоди, але при меншому електричному навантаженні, а також в детекторах для виділення низькочастотного інформаційного сигналу з високочастотного модульованого коливання; у змішувачах для зміни несучої частоти модульованого коливання; у модуляторах для модуляції високочастотного коливання та в інших перетворювачах електричних сигналів.

Принципи модуляції та детектування електричних інформаційних сигналів розглянуті в розділі 1.

Високочастотні діоди працюють у широкому діапазоні частот (до кількох сотень мегагерців). Тому важливими стають ємнісні властивості НД. Перетворення сигналів за допомогою високочастотних діодів відбувається здебільшого за рахунок несиметрії ВАХ. Але із збільшенням частоти опір ємності діода C_tot зменшується, стає сумірним з опором у запірному напрямі .Тобто із зростанням частоти діоди втрачають вентильні якості (рис. 3.13). Це пов’язано з процесами накопичення та розосередження носіїв заряду в базі.

Рис. 3.8. Криві струму через діод на частотах: а – низьких; б – середніх;в – високих

На великих частотах заряд дірок, що інжектували в n-базу за позитивний півперіод, повністю виводиться в зовнішнє коло за негативний півперіод, що створює значний зворотній струм. Діод втрачає випрямні властивості.

Одним з головних параметрів високочастотних діодів є статична ємність С_tot між зовнішніми виводами, яка визначається бар’єрною ємністю p‑n‑переходу. Зазвичай С_tot ≤ 1 пФ.

За частотними властивостями високочастотні діоди поділяють на дві групи: 1) f_max ≤ 100 МГц; 2) 300 МГц ≤ f_max ≤ 1000 МГц. На вищих частотах використовують надвисокочастотні діоди з дуже малим радіусом точкового контакту (2...3 мкм) та особливою конструкцією, а також діоди Шотткі.