4.6. Примеры практического применения диодов

Поскольку полупроводниковые приборы проводят ток преимущественно в одном направлении, то основным назначением большинства диодов является преобразование энергии переменного в энергию постоянного тока.

Примеры использования выпрямительных диодов

Рассмотрим две наиболее распространенные схемы выпрямителей на полупроводниковых диодах (линейных детекторов): однополупериоднуюидвухполупериодную.

На рис.4.10 приведены схема и временные диаграммы однополупериодного выпрямителя. В схеме (рис. 4.10, а) последовательно соединены генератор переменной ЭДС – е, диод – VDи нагрузочный резисторR_Н. Правильнее схему следовало бы называтьоднофазной однотактной, т.к. генератор ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период).

Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и т.д.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.

На практике генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 4.10,б). Роль нагрузочного сопротивления, т.е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи и приборы, которые питаются от выпрямителя.

Будем считать, что генератор формирует синусоидальную ЭДС е = Е_m sin tи его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным образом). Во время одного полупериода напряжение для диода является прямым и по цепи проходит ток, создающий на резистореR_Нпадение напряженияu_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет иu_R= 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов (рис. 4.10, в, г, д), длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Достаточно умножить значения тока наR_Н, чтобы получить кривую напряжения, т.к.u_R = i R_Н. График на рис. 4.10,д изображает напряжение на диоде. Амплитуда его положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резистореR_Н, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. При отрицательной полуволне ток практически в цепи отсутствует и падение напряжения наR_Нравно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Полезной частью пульсирующего напряжения является его постоянная составляющая (среднее значение за период):

U_СР = U_МАХ/= 0,318 U_МАХ.(4.10)

Приближенно U_СРсоставляет 30% максимального значения.

Переменная составляющая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 4.11). Полуволны переменной составляющей на рисунке заштрихованы, причем площади положительной и отрицательной полуволн равны.

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения, т.е. для сглаживания пульсаций, применяют специальные сглаживающие фильтры (рис. 4.10, б).

В сглаживающем фильтре используются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая ее часть проходила в нагрузку.

Для качественного сглаживания пульсаций необходимо выполнение условия:

1 / СR_Н. (4.11)

Из рис. 4.12 видно, что когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е_m.

В то время когда ток через диод не протекает, конденсатор разряжается через нагрузку R_Н. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается. Зарядка конденсатора С через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разрядка через большое сопротивление нагрузки происходит медленно. Вследствие этого пульсации наR_Нрезко снижаются, а постоянная составляющая выпрямленного напряжения уже составляет (0,8 0,95)Е_m.

Необходимо отметить, что весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду, ток станет недопустимо большим для диода и может произойти тепловой пробой.

На рис. 4.13 приведена схема и временные диаграммы двухполупериодного (мостового) выпрямителя. Схема содержит трансформатор, включенный в генераторную диагональ диодного моста, сопротивление R_М, включенного в другую – нагрузочную диагональ. Общая точка катодовVD1 иVD3 является положительным полюсом, а общая точка анодовVD2и VD4– отрицательным.

Если принять, что в первый полупериод потенциал верхнего конца вторичной обмотки положителен, то диоды VD1иVD4 ,будут открыты и в цепи нагрузки потечет ток. Вo второй полупериод полярность вторичной обмотки изменится, откроются диодыVD2иVD3, и ток вновь потечет по цепи нагрузки, причем в обоих случаях направление тока в нагрузке будет одинаковым. Среднее значение напряжения за один период будет в 2 раза больше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя, т.е.:

U_СР= 2U_MAX /  = 0, 636 U_MAX (4.12)

Для сглаживания пульсаций и приближения среднего значения напряжения на нагрузке к выпрямляемому значению, используют сглаживающие фильтры.

Примеры использования стабилитронов

Примером использования стабилитронов может служить схема параллельного параметрического стабилизатора напряжения, приведенная на рис. 4.14.

Из ВАХ стабилитрона (рис 4.6,б) видно, что до наступления электрического пробоя обратный ток имеет очень малое значение, а в режиме пробоя он получается таким же, как и прямой ток, а обратное напряжение – в малых пределах.

Поэтому этот участок характеристики можно использовать для стабилизации напряжения. В схеме на рис. 4.14 нагрузка – потребитель, включена параллельно стабилитрону.

Если входное напряжение E начнет изменяться в ту или иную сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а, следовательно, и на нагрузке останется почти постоянным. Для обеспеченияU_СТна нагрузке необходимо поддерживать режим электрического пробоя стабилитрона, а это возможно, если поддерживать его ток в пределахI_MIN  I_MAX. Это обеспечивается выбором номинала ограничивающего резистора. Его значение определяется из соотношения:

R_ОГР = (E_СР – U_СТ) / (I_СР + I_Н), (4.13)

где Е_СР= 0,5(Е_MIN+ Е_MAX) – среднее напряжение источника;

I_СР= 0,5(I_MIN+ I_MAX) – средний ток стабилизатора;

I_Н= U_СТ/ R_Н– ток нагрузки.

Это соотношение необходимо использовать при постоянном сопротивлении нагрузки и нестабильном напряжении источника питания.

Другим возможным режимом является, когда Е = const, аR_Низменяется в пределахR_{Н MIN}  R_{Н МАХ}. При этом значение ограничивающего резистора определяется из следующего соотношения:

R_ПР = (E – U_СТ) / (I_СР + I_{Н СР}), (4.14)

где I_{Н СР}= 0,5(I_{Н MIN}+I_{Н МАХ}), причем

I_{H MIN} = U_CT / R_{H MAX}иI_{H MАХ} = U_CT / R_{H MIN}.

Работу схему в этом режиме можно объяснить следующим образом. Поскольку R_ОГРпостоянно и падение напряжения на нем, равное Е -U_СТ, также постоянно, то и ток, протекающий черезR_ОГР, равныйI_СР + I_{Н СР}, должен быть постоянным. Но это возможно только в том случае, если ток стабилитронаIи токI_Низменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны и их сумма остается неизменной.

Примеры использования варикапов

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например в так называемых параметрических усилителях, в качестве конденсаторов переменной емкости.

На рис. 4.15 приведена простейшая схема включения варикапа в колебательный контур.

Изменяя с помощью потенциометра Rобратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура, управляя емкостью варикапа электрическим образом.