- •1. ИДЕАЛЬНЫЕ ДИОДЫ. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
- •1.1. Однополупериодный выпрямитель
- •1.2. Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель
- •1.3. Мостовой двухполупериодный выпрямитель
- •Контрольные задания
- •2. Полупроводниковые диоды и их характеристики
- •2.1. Пороговое напряжение
- •2.2. Номинальный ток
- •2.3. Пиковый (максимальный) ток
- •2.4. Обратный ток диода
- •2.5. Обратное напряжение
- •2.6. Динамическое сопротивление диода
- •2.7. Время выключения диода
- •2.8. Время включения диода
- •Контрольные задания
- •3. ОСОБЕННОСТИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ
- •3.1. Учет потерь на выпрямляющих диодах
- •3.2. Параллельное включение диодов
- •3.3. Последовательное включение диодов в выпрямителях гармонических напряжений
- •3.4. Последовательное включение диодов в выпрямителях прямоугольных напряжений
- •Контрольные задания
- •4. Основные типы выпрямительных диодов и их особенности
- •4.1. Кремниевые диоды
- •4.2. Диоды Шоттки
- •4.3. Германиевые диоды
- •4.4. Мощные диоды
- •Контрольные задания
- •5. Сглаживание (фильтрация) пульсирующих напряжений
- •Пример 8
- •Обратное напряжение на диоде составляет
- •Пример 9
- •Решение
- •Пример 10
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Контрольные задания
- •6. Выпрямители с другими типами фильтров
- •6.1. RC фильтры
- •Решение
- •Потери напряжения на дополнительном фильтре:
- •6.2. LC фильтры
- •6.3. Фильтры, начинающиеся с индуктивности
- •Контрольные задания
- •7. Другие применения выпрямительных диодов
- •7.1. Умножители напряжения
- •Помимо удвоителей напряжения возможны утроители, учетверители и т.д. Схема такого умножителя напряжения представлена на рис. 45 а.
- •где f – частота выпрямляемого напряжения; Uп – изменение пульсаций напряжения на эквивалентной емкости.
- •Умножители напряжения характеризуются малыми значениями выходных токов. Их токи обычно не превышают 10мА.
- •7.2. Ограничители напряжения
- •7.3. Цепи смещения уровня
- •Контрольные задания
- •Контрольные задания
- •9. Стабилитроны и их применение, стабисторы
- •9.1. Стабилитроны и их характеристики
- •9.2. Особенности применения
- •9.3. Ослабление пульсаций напряжения
- •9.4. Температурный дрейф
- •9.5. Стабисторы
- •Контрольные задания
- •10. Туннельные диоды, их применение, обращенные диоды
- •11. Варикапы
- •Контрольные задания
- •12. Светоизлучающие диоды
- •12.1. Светодиоды
- •12.2. Лазерные диоды
- •13. Фотодиоды и фоторезисторы
- •Контрольные задания
Министерство образования Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова
СЕРИЯ:
“ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
И И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ”
В.А.ВЕСЕЛОВ, О.С.ИПАТОВ, В.В.ГАВРИЛОВ
ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2003
УДК 621.38 (075.8) В38
Веселов В.А., Ипатов О.С., Гаврилов В.В. Диоды и их при-
В38 менение / Балт. гос. техн. ун-т; СПб., 2003. 127 с. Сер. «Элементы аналоговых систем автоматики и их применение»
Содержит описание технических характеристик диодов и других двухвыводовых приборов с объяснением их физического смысла. Обсуждаются особенности применения таких приборов в практической схемотехнике.
Предназначено для студентов специальностей 210500, 220200, 071900.
УДК 621.38 (075.8)
Рецензенты: кафедра аэрокосмических приборов и измерительновычислительных комплексов Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения (зав. каф. ). Зав. каф., канд. техн. наук Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) В. И. Халимон
Утверждено редакционно-издательским советом университета
© БГТУ, СПб., 2003
2
Предисловие
В данном учебном пособии из серии “Элементы аналоговых систем автоматики и их применение” из всего обширнейшего семейства таких приборов рассматриваются, в основном, диоды и, в меньшей мере, другие двухвыводовые приборы, основанные на p-n-переходах. Физические принципы действия таких устройств подробно изучаются в курсе “Физические основы построения полупроводниковых приборов”. Данное пособие предназначено для использования в курсах “Электроника”, “Схемотехника” для различных специальностей приборостроительного профиля. По этой причине здесь приведены, в основном, технические характеристики двухвыводовых приборов с учетом обусловленных принципом их действия особенностей, принимать во внимание которые необходимо при проектировании и создании реальных систем, что особенно важно для простых приборов. В этом случае у разработчика, в силу простоты прибора, формируется его восприятие в виде упрощенной модели, что и приводит, зачастую, к неудачам проектирования. Поэтому в данном пособии особый упор делается на особенности реальных коммерчески доступных приборов. На множестве типовых примеров иллюстрируется учет этих особенностей.
Авторы надеются, что данная работа послужит хорошим введением будущего специалиста в объектный мир его творчества.
В.А. Веселовым написаны разд. 2, 3, 6, 7, 12, 13 и осуществлена общая редакция; О.С. Ипатовым – разд. 1, 5, 8, 9; В.В. Гавриловым – разд. 4, 10, 11.
Авторы выражают глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту В.Ю. Емельянову и кандидату технических наук А.П. Бочарову – известному специалисту по специальным системам управления – за рекомендации по совершенствованию пособия.
3
1. ИДЕАЛЬНЫЕ ДИОДЫ. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
Диодом называется двухвыводовый прибор, который проводит электрический ток только в одном направлении. Его обозначение на электрических схемах представлено на рис. 1, а, а вольт-амперные характеристики идеализированного прибора – на рис.1, б.
а) |
VD |
в) |
|
г) |
цепь закорочена |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
К |
|
А |
К |
|
|
|
Iд |
|
|
Iц= 0 |
б) |
Iд |
д) |
|
е) |
цепь разомкнута |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
К |
|
А |
К |
|
Uд |
|
Iдо= 0 |
|
|
Iц= 0 |
Рис. 1
Стрелка в условном обозначении прибора показывает направление протекания тока через него. Встречно стрелке ток через прибор протекать не может. В соответствии с общепринятым условным направлением протекания тока в электрических цепях, ток через диод может протекать лишь при знаке приложенного к нему напряжения (рис. 1, в). Такое напряжение называется прямым. При обратном знаке приложенного к диоду напряжения – обратном напряжении (рис. 1, д) – ток через диод протекать не может. Говоря иначе, диод можно рассматривать как прибор, управляемый знаком приложенного к нему напряжения. При прямом напряжении диод проводит ток, он замыкает электрическую цепь (рис. 1, г), а при обратном – размыкает ее (рис. 1, е).
Идеальный диод характеризуется нулевым падением напряжения на нем, если он введен в проводящее состояние, и нулевым током через него, если он пребывает в непроводящем состоянии (рис. 1, б).
Проводимость диода определяется знаками прикладываемого к нему напряжения, поэтому можно осуществлять выпрямление знакопеременных напряжений. Точнее, при этом представляется возможным преобразовать переменное разнонаправленное напряжение в однонаправленное переменное, называемое пульсирующим.
4
Ниже рассматриваются основные схемы устройств выпрямления переменных напряжений, называемых выпрямителями и выполняемых на идеальных диодах. Существующие схемы выпрямителей делятся на однополупериодные и двухполупериодные.
1.1. Однополупериодный выпрямитель
Однополупериодный выпрямитель (рис. 2, а) состоит из трансформатора Т, диода и резистивной нагрузки Rн.
а) |
А |
К |
|
+(-) |
|
|
|
|
U1 |
U2 |
Rн |
Uн |
|
|
|
|
-(+) |
|
|
б) |
U |
|
в) |
А |
К |
|
U2m |
н |
|
н |
+ |
|
|
|
|
U2 |
Rн |
Uн |
||
|
|
ч |
W |
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
- |
|
|
г) |
U |
|
д) |
А |
К |
|
U2m |
|
|
|
- |
|
|
Uнср |
н |
ч |
н |
U2 |
Rн |
Uн |
|
|
|
W |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
Рис. 2 |
|
|
|
Трансформатор T преобразует, “трансформирует”, первичное напряжение U1 в нужное по величине вторичное напряжение U2. Они связаны известным соотношением: U2=nU1, где n= W2/W1 – коэффициент трансформации трансформатора; W1 , W2 – число витков первичной и вторичной обмотки соответственно.
Положим, что первичное и вторичное напряжения синусоидальны
(рис. 2, б):
u2 = U2m sin ωt.
Как известно, гармоническое напряжение дважды за период меняет знак. Будем считать полупериоды переменного напряжения над осью времени “t” нечетными (индекс “н”), а под осью времени – четными (ин-
5
декс “ч”). Очевидно, что мгновенное напряжение в нечетные полупериоды положительно (знаки без скобочек), а в четные оно отрицательно (знаки в скобочках на рис. 2, а).
Эквивалентная схема выпрямителя в нечетные полупериоды представлена на рис. 2, в. В соответствии с изложенным выше принципом действия прибора в этом случае диод закорачивает участок цепи анод-катод (участок А-К) вторичной цепи трансформатора. В результате все напряжение, трансформируемое во вторичную обмотку трансформатора, оказывается приложенным к сопротивлению нагрузки Rн (рис. 2, г). На рис. 2, д представлена эквивалентная схема выпрямителя применительно к четным полупериодам. Поскольку в эти полупериоды участок (А-К) диода оказывается разомкнутым, то ток в цепи нагрузки равен нулю, а следовательно, равно нулю и напряжение на ней (рис. 2, г).
Таким образом, рассмотренный выпрямитель преобразует синусоидальное переменное напряжение u2 = U2m sinωt в однонаправленное положительное переменное напряжение (рис. 2, г), наблюдаемое на нагрузке в течение лишь каждой половины периода выпрямляемого напряжения. Напряжение такой формы называется однополупериодным выпрямленным. Лучше его назвать пульсирующим однополупериодным.
Как анализ, так и синтез таких выпрямителей сводится к определению токов и напряжений в нагрузке, токов диода и напряжения на нем, а также токов, обтекающих вторичную обмотку трансформатора.
Напряжения и токи в резистивной нагрузке определяются в соответствии с рис.2, г следующими соотношениями:
max Uн = U2m |
, cp U = |
1 |
U |
=0,318U |
, |
|||||
|
||||||||||
|
|
|
|
н |
π 2m |
|
|
2m |
|
|
max Iн |
= |
U2m |
, cp Iн = 0,318 |
U2m |
. |
|
||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
Rн |
|
|
|
Rн |
|
Для выбора диода в схему необходимо знать обтекающие его токи и прикладываемые к нему напряжения. Поскольку диод и нагрузка включены последовательно, то max Iд = max Iн, cp Iд = ср Iн.
Напряжение, прикладываемое к диоду, легко находится из эквивалентной схемы (рис. 2, д). В четные полупериоды диод размыкает цепь нагрузки. Тока в нагрузке нет. Нет и падения напряжения на Rн. Следовательно, потенциал зажима “+” источника U2 оказывается равным потенциалу катода К диода. Потенциал отрицательного зажима источника U2 оказывается равным потенциалу анода А диода. Следовательно, к диоду в непроводящие четные полупериоды оказывается приложенным max Uд об = U2m.
Для рационального выбора сечения провода обмоток трансформатора необходимо знать действующее значение обтекающего их тока. Вторич-
6
ная обмотка трансформатора, будучи включенной последовательно с Rн, обтекается тем же током, что и нагрузка. Отсюда действующий ток
|
1 |
T / 2 |
||
I = |
∫ |
(Iнm sin ωt)2 dt = 0,5Iнm . |
||
T |
||||
|
|
0 |
|
Если обмотка трансформатора выбрана из условия фактического среднего тока, обтекающего обмотку, то токоведущая жила, имеющая сопротивление провода Rпр, претерпевает перегрев в число раз
|
(0,5I |
нm |
)2 R |
|
||
K = |
|
|
пр |
= 2,27 , |
||
(0,318I |
нm |
)2 R |
||||
|
|
|
пр |
|
поскольку нагрев провода определяется квадратом действующего значения тока в нем.
Недостатки данной схемы:
-при среднем напряжении на нагрузке равном срUн обратное напряжение, прикладываемое к диоду, равно Uоб ≈ 3(срUн);
-трансформатор обтекается током срIпр=0,318Iнm, что приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора, а следовательно, к увеличению сердечника трансформатора при той же передаваемой им мощности;
-сечение провода оказывается избыточным, выбранным из условия обтекания его действующим током, а не его фактическим средним значением.
Таким образом, в данной схеме как провод обмоток, так и железо сердечника трансформатора используются нерационально.
1.2. Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель
Более рациональны двухполупериодные выпрямители. Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель представлен на рис. 3, а.
Положим, что выпрямляемое напряжение опять-таки синусоидально рис. 3, б. Тогда в нечетные полупериоды верхний диод VD1 замыкает участок A-K, подключая сопротивление Rн к верхней полуобмотке трансформатора, рис. 3, в. На сопротивлении Rн наблюдаются положительные полуволны напряжения в нечетные полупериоды рис. 3, г. Ток в нагрузке при этом течет от точки 1 к точке 2. В этот же полупериод диод VD2 размыкает соответствующий участок А-К, и нижняя полуобмотка оказывается отключенной от Rн.
В четные полупериоды (рис. 3, г) к нижней полуобмотке вторичной обмотки трансформатора подключается резистор Rн. К нагрузке опять оказывается приложенным напряжение U2. При этом ток в нагрузке течет в прежнем направлении, на нагрузке вновь выделяется положительная полуволна напряжения. Верхняя полуобмотка в четные полупериоды оказывается отключенной от нагрузки Rн.
7
а) |
|
б) |
+(-) |
|
|
U2 |
VD1 |
Uн |
Rн |
|
U1 |
-(+) |
Ф |
|
+(-) |
1 |
|
г) |
цепь закорочена |
U2 |
|
|
|
|
|
|
|
-(+) |
|
|
Iц = 0 |
|
VD2 |
е) |
цепь разомкнута |
|
|
А |
К |
1 |
+(-) |
|
|
U2 |
VD1 |
Uн |
Rн |
-(+) |
|
+(-) |
2 |
|
U2
-(+)
АК
Iц = 0
б) U2
U2m
нн
чW
г) U2
U2m
Uнср |
н |
ч |
н |
W
Рис. 3
Таким образом, в рассматриваемом выпрямителе однонаправленное – в данном случае положительное – напряжение наблюдается в течение обоих полупериодов выпрямляемого напряжения. Такое напряжение является переменным однонаправленным и называется двухполупериодным пульсирующим.
Напряжения и токи в нагрузке для этой схемы определяются (рис. 3) следующими соотношениями:
maxUн=U2m, |
срUн= |
2 |
U2m = 0,636U2m , |
||||
|
|||||||
|
|
|
π |
|
|
||
max Iн = |
U2m |
, срIн = 0,636 |
U2m |
. |
|||
Rн |
Rн |
||||||
|
|
|
|
|
Токи через каждый диод схемы и напряжение, прикладываемое к каждому диоду, окажутся равными:
8