2. Принцип действия, характеристики и параметры выпрямительных диодов

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свой­стве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к ди­оду подвести переменное напряжение (рис. 1.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-п переходе действует прямое напряжение. При этом сопро­тивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде ме­няется на обратную. Его сопротивление значительно увеличи­вается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку

Рис. 1.15. Применение диода для

выпрямления переменного тока

/?_н включают в цепь источника питания последовательно с дио­дом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с пря­мым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямле­ние, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по на­правлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простей­шей. На практике применяют более сложные схемы.

Вольт-амперная характеристика диода представляет собой за­висимость тока от величины и полярности приложенного на­пряжения. Ее вид определяется вольт-ампер ной характеристикой р-п перехода (см. рис. 1.11). Реальные характеристики отли­чаются от идеальных из-за влияния различных факторов. Вольт- амперная характеристика диода, как и р-п перехода, имеет две ветви: прямую и обратную.

Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода при­ведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему вклю­чаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольт­метр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения об­ратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого на­пряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.

На рис. 1.17 представлены реальные вольт-амперные харак­теристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенци­

альный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия ха­рактеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое на­пряжение LLp составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением тем­пературы пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная вели­чина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.

(тА)

I

♦ мТ,

V

Ge

«Л Т

о II •

	Ge ^
1 пр •
400	/ b20lL+ 20°С
300	- 1 Рв0Ч
	П /L+125°C
200	1 7
100	- 1 //
.В 800 400 1 1 3	V .J/

'обр

Jo' Jl /

0.5 1.0 U _np, В

^r -50

Si

S^/^eo'c -too

•'обр.^мкА

Рис. 1.16. Схема для снятия вольт-амперной характерис­тики диода

Рис. 1.17. Реальные вольт-амперные характе­ристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) диодов при разной температуре

Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, за­висит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от Uoб_Р. При данной температуре 1_обр только на начальном от 0 уча­стке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, проте­кавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величи­на /₀бр определяется током утечки, так как тепловой ток значи­тельно меньше. Поэтому с увеличением и_об_Р у них равномерно растет /₀бр, начиная с нуля.

С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивает­ся.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение U_np — значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток /₀б_Р — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении

оно составляет единицы и десятки ом;

сопротивление диода в обратном направлении

Г) U обр .

*\Обр ш t

* обр

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода г_ДИф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

— ML

Гдиф — _д/ •

Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствую­щего направления; дифференциальное сопротивление—это со­противление при переменном токе; оно определяет наклон каса­тельной, проведенной в данной точке вольт-амперной характе­ристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, ха­рактеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обес­печения длительной и надежной работы диодов нельзя превы­шать ни при каких условиях:

максимально допустимое обратное напряжение U_o6p._MaKC, ко­торое определяется с запасом как 0,7—0,8 U„_pоб;

максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом, —

Р

^гмакс у

максимально допустимый постоянный прямой ток /_пр.макс; диапазон рабочей температуры.

Германиевые диоды работают в диапазоне температур от —60 до плюс 70—80 °С, кремниевые — до плюс 120—160 °С; до­пустимая плотность прямого тока для германиевых диодов

20—40 А/см², для кремниевых 60—80 А/см²; для германиевых диодов допустимы обратные напряжения до 500—600 В, для кремниевых — до 2000—3500 В; падение напряжения на герма­ниевом диоде при прохождении прямого тока составляет 0,3— 0,6 В, а на кремниевом —0,8—1,2 В.

Сравнивая свойства германиевых и кремниевых диодов, мож­но отметить, что кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные дио­ды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.