3.6 Основні типи діодів та електронні пристрої на їх основі

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 Випрямні діоди та випрямлячі

Випрямлення змінного струму – один з поширених процесів в електротехніці 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. Створені 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.

Н айпростішу 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 створюються випрямлячі.

Розглянемо схему без конденсатора (без фільтра). Протягом одного півперіоду (позитивного) напруга для діода є прямою, п роходить 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 однонаправлений, 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). Такий самий графік в іншому масштабі відображає випрямлену напругу u_н = ІR_н.

Графiк рис. 3.3, в зображає напругу на діоді u_д. Амплітуди позитивних i негативних півперіодів відрізняються 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 (1.6.2.) коефіцієнт передачі якого завдяки асиметрії ВАХ НД автоматично установлюється рівним одиниці в позитивний напівперіод 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.

В розглянутій схемі корисна постійна складова напруги становить лише 0,318 змінної складової, тобто створюються значні пульсації, що, зазвичай, є неприйнятним для живлення електронної апаратури.

Для зменшення коефіцієнта пульсацій використовують згладжувальні фільтри, для чого у схеми вмикають конденсатори великої ємності та дроселі з великою індуктивністю. Побудова випрямлячів з фільтрами розглядається в розділі 10.

У випрямлячах використовують випрямні НД. Вони за максимально допустимим випрямленим струмом діляться 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 ( розд.10).

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.