4.8. Схемы диодных ограничителей

Ограничители — это электронные устройства, обладающие хотя бы одним из следующих свойств: 1) в те моменты времени, когда входное напряжение становится ниже некоторого уровня , ток через нагрузку прекращается; 2) в те моменты времени, когда входное напряжение становится выше некоторого уровня U⁺_огр, через нагрузку идет только тот ток, который соответствует заданному уровню. Ограничители изменяют форму сигнала, срезая либо верхнюю, либо нижнюю часть. При промежуточных значениях входного напряжения (меньших U⁺_огр или больших ток через нагрузку должен следовать за изменениями входного сигнала с минимальным искажением формы. Возможно и одновременное ограничение напря­жения сверху и снизу.

Реализуют ограничители в зависимости от необходимой точности на диодах или диодах с операционными усилителями (ОУ). Применение диодов объясняется их нелинейной, с пороговыми свойствами вольтамперной характеристикой.

Последовательное включение диода с нагрузкой (рис. 3.7, а), осу­ществляет ограничение первого рода. При напряжении u_Д>U_отп и U_см через диод идет ток, который соз­дает напряжение на нагрузке

u_Н=(u_c-U_отп)R_н/(R_н+r_дин), (3.4)

близкое к u_c, если r_дин<<R_н и u_c>>U_отп (рис. 3.7, б, в). Когда амплитуда входного напряжения меньше напряжения отпирания, т. е. u_д<U_опт, имеем

i₂=(u_д-U_отп+ U_отп- u_д)/(2r_дин)=0, (3.5)

т. е. ток через диод не идет. Следовательно, напряжение U_отп яв­ляется уровнем ограничения. Возможность его регулировки связана со схемным способом изменять U_отп. Включив последовательно с дио­дом дополнительный источник U_см, можно уменьшать или увеличи­вать напряжение отпирания диода, соответственно смещая уровень ограничения в область отрицательных (рис. 3.7, г) или положительных (рис. 3.7, д) полуволн напряжения сигнала.

Рис.3.7

Включение диода параллельно нагрузке (рис. 3.8, а) реализует ограничение второго рода (рис. 3.8, б, в). Диод открывается только при u_н>U_отп (U_см=0) и ограничивает выходное

напряжение, но из-за конечного дифференциального сопротивления открытого диода напряжение

u_н=u_cg_бал/(g_бал+g_дин+g_н) (3.6)

будет несколько возрастать.

Рис. 3.8

Очевидно, что ограничение будет тем лучше, чем больше проводимость диода g_дин и меньше проводимость нагрузки g_н и балластного резистора g_бал. При отрицательной полуволне напряжения сигнала диод закрыт и u_н повторяет его форму.

Подключение к диоду положительного напряжения обратного смещения U_см увеличивает напряжение ограничения =E_см+U_отп (рис. 3.8, г), а отрицательного U_см - уменьшает (рис. 3.8, д).

Схемы ограничителей широко применяются для защиты входов устройств от перенапряжений или для формирования прямоугольных колебаний из синусоидальных. Последовательный ограничитель применяют для передачи в нагрузку сигнала одной полярности, в частности в схемах укорочения импульсов.

4.9.Специальные типы диодов

4.9.1.Модели светодиодов и фотодиодов и их применение

Светодиоды - преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. Излучение света не когерентное. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. В светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света. Как правило, такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 3.12, а показано условно-графическое изображение светодиода.

Рис. 3.12

Яркость свечения светодиода (В) определяется проходящим через него током I_д в соответствии с характеристикой, показанной на рис. 3.12, б.

Дифференциальное сопротивление светодиодов на линейном участке весьма мало (меньше 1 Ом), поэтому их можно использовать и как стабилитроны для малых напряжений стабилизации. Наибольший ток, проходящий через светодиод, не превосходит нескольких десятков миллиампер.

Промышленность выпускает светодиоды, как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Дискретные элементы применяются в качестве сигнальных индикаторов, а интегральные, обычно многоэлементные, приборы — для построения светоизлучающих цифро-знаковых индикаторов и панелей, например в электронных часах, калькуляторах.

Благодаря малому прямому сопротивлению и тому, что излучение фотонов происходит в результате рекомбинации носителей зарядов, скорость изменения светового потока достаточно высока. Постоянная времени светодиода составляет 10^-7-10^-8 с. Это позволяет применять светодиоды в схемах среднего быстродействия для управления с помощью светового потока.

Схема включения светодиода представлена на рис. 3.13, где напряжение источника питания равно U_п =5 В:

Рис. 3.13

Балластное сопротивление выбирается из условия обеспечения необходимой яркости свечения светодиода, т.е. из выбранного тока через диод:

. (3.11)

Также выпускаются и двуцветные светодиоды (рис 3.14). Они применяются, например, в различных пультах управления (один светодиод красный, а другой - зеленый).

Рис. 3.14

Фотодиоды – это полупроводниковые диоды, в которых используется возникновение тока в полупроводнике при воздействии на него светового излучения. Фотодиод имеет структуру обычного p-n-перехода с окном для прохождения светового потока. Условное обозначение фотодиода в электрических схемах приведено на рис. 3.15.

Рис. 3.15

Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотодиодном, когда к его

электродам через резистор нагрузки подключается источник постоянного напряжения, смещающий р-n-переход в обратном направлении (диод закрыт), и вентильном, когда источник напряжения отсутствует. Фототок меньше обратного тока диода, поэтому для маломощных схем он составляет доли микроампер.

В фотодиодном режиме используется неравновесная концентрация носителей заряда, возникающих в р-n-переходе вследствие светового облучения. Под действием электрического поля объемного заряда р-n-перехода часть носителей заряда (электроны) устремляется в область n, а часть (дырки) — в область р. Возникает фототок, имеющий противоположное направление по сравнению с прямым током диода. Он пропорционален интенсивности падающего на р-n-переход излучения и практически не зависит от напряжения смещения.

В вентильном режиме от протекающего через диод фототока возникает падение напряжения на его сопротивлении несколько меньшем U_отп. Таким образом, осуществляется прямое преобразование световой энергии в электрическую энергию.

В фотодиодах время установления фототока после начала облучения светом составляет 10^-7-10^-8 с. Спектральные характеристики практически охватывают всю видимую и инфракрасную области спектра. При этом чувствительность, т.е. отношение фототока к освещенности, обычно близка к 0,1 мкА/лк.