Основи електроніки (стр. 7 )

Випрямлення змінного струму є одним з основних процесів в ра діоелектроніці. У випрямному пристрої енергія змінного струму перетворюється в енергію постійного струму. Будь який випрямляч є споживачем енергії змінного струму та генератором постійного струму.

Оскільки напівпровідникові діоди добре проводять струм в прямому напрямку і погано проводять в зворотному, то основним призначенням більшості напівпровідникових діодів є випрямлення змінного струму.

Рис. 6

Найпростіша схема для випрямлення змінного струму показана на рис. 6, а. У ній послідовно з'єднані генератор змінної ЕРС е, діод Д і нагрузочних резистор RH, який можна включати також і в інший дріт, як показано штрихами. Ця схема називається однопівперіодною. Правильно було б називати її однофазною однотактною, так як генератор змінної ЕРС є однофазним і струм проходить через нього тільки в одному напрямку один раз за період (один такт за період). Інші, більш складні схеми для випрямлення (двофазні, трифазні, двотактні і т. д.), як правило, являють собою комбінацію декількох однофазних однотактний схем.

У випрямлячах для живлення РЕА (Радіо Електронна Апаратура) генератором змінної ЕРС зазвичай служить силовий трансформатор, включений в електричну мережу (рис. 6, б). Замість трансформатора іноді застосовується автотрансформатор. В деяких випадках випрямляч живиться від мережі без трансформатора. Роль нагрузочного резистора RH, тобто споживача енергії постійного струму, в практичних схемах грають ті ланцюги або прилади, що живляться від випрямляча. При випрямленні струмів високої частоти, наприклад, в детекторних каскадах радіоприймачів генератором змінної ЕРС служить трансформатор високої частоти або резонансний коливальний контур, а навантаженням - резистор з великим опором.

Робота найпростішого випрямляча відбувається наступним чином. Будемо вважати, що генератор дає синусоїдальну ЕРС і його внутрішнім опором можна знехтувати. Під час одного напівперіоду напруга для діода є прямою і проходить струм, що створює на резисторі RH падіння напруги uR. Протягом наступного напівперіоду напруга є протилежною, струму практично немає і uR = 0. Таким чином, через діод, навантажувальний резистор і генератор проходить пульсуючий струм у вигляді імпульсів, що тривають півперіода і розділені проміжками також в півперіода. Цей струм називають випрямленим струмом. Він створює на резисторі RH випрямлену напругу. Простеживши напрям струму, неважко встановити полярність цієї напруги: з боку катода діода виходить плюс, а з боку анода - мінус.

Рис. 7

Графіки на рис. 7 наочно показують процеси у випрямлячі. Змінна ЕРС генератора зображена синусоїдою з амплітудою Еm (рис. 7, а). Як правило, опір навантаження у багато разів більший опору діода, і тоді нелінійністю діода можна знехтувати (робоча характеристика близька до лінійної). В цьому випадку випрямлений струм має форму імпульсів, близьку до напівсинусоїди з максимальним значенням (рис.7, б). Цей же графік струму в іншому масштабі зображує випрямлену напругу uR, так як . Досить помножити значення струму на Rн, щоб отримати криву напруги.

Графік на рис. 7, в зображує напругу на діоді. Іноді помилково його вважають синусоїдальним або ототожнюють з напругою джерела змінної ЕРС. Насправді ця напруга має несинусоїдальну форму. У неї амплітуди позитивних і негативних напівхвиль різко неоднакові. Амплітуда позитивних напівхвиль дуже мала. Це пояснюється тим, що коли проходить прямий струм, то більша частина напруги джерела падає на навантажувальному резисторі Rн опір якого значно перевищує опір діода. В цьому випадку

Для звичайних напівпровідникових діодів пряма напруга буває не більше 1-2 В. Наприклад, нехай джерело має діючу напругу Е = 200 В
і. Якщо Uпрmax = 2 В, то URmax = 278 В. Якби напруга джерела (наприклад, 200 В) повністю булa докладенa до діода, то це означало б, що на резисторі Rн немає падіння напруги. Але це можливо тільки при Rн = 0. Тоді струм був би недопустимо великим і діод вийшов би з ладу.

При негативній напівхвилі підведеної напруги струму практично немає і падіння напруги на резисторі Rн дорівнює нулю. Вся напруга джерела прикладена до діода і є для нього зворотною напругою. Таким чином, максимальне значення зворотної напруги дорівнює амплітуді ЕРС джерела.

2.6 Види діодів

Випрямні діоди. Напівпровідниковим діодом називається прилад з двома виводами і з одним електронно-дірковим переходом. Частіше всього використовуються германієві та кремнієві напівпровідникові діоди, а також діоди, виконані на основі арсеніду галію.

Залежно від способу отримання електронно-діркових переходів напівпровідникові діоди поділяють на два типи: площинні та точкові.

Точковий діод - це напівпровідниковий діод з точковим переходом.

Площинний діод - це напівпровідниковий діод з площинним переходом.

В точковому діоді використовується пластинка германію або кремнію з електричною провідністю п - типу товщиною 0,1 +0,6 мм, з пластинкою стикається загострений стальний дротик, що створює р-п перехід в місці контакту. Точкові діоди поділяються на випрямні діоди та надвисокочастотні

діоди. Контакт в таких діодах дуже невеликий, тому прямий струм та міжелектродна ємність порівняно малі, що дозволяє використовувати їх в надвисокочастотному діапазоні. Частіше за все точкові діоди використовуються для випрямлення змінного струму.

В площинних діодах р-п перехід зроблений з двох напівпровідників з різними електропровідностями. При цьому площина переходу у різних типів діодів може бути від сотих часток мм2 (мікроплощинні діоди) до декількох см2 (силові діоди).

Електричні характеристики площинного діода визначаються характеристиками р-п переходу.

В силових діодах електронно-дірковпй перехід зроблений завдяки вплавленню алюмінію в кремній. Пластинка кремнію з р-п переходом припаяна до держателя кристалу, який одночасно є основою корпусу діода.

В дифузійних діодах р-п перехід зроблений при високих температурах дифузією домішки в кремній або германій із середовища, що містить пару домішкового матеріалу. Конструкції дифузійних та силових діодів однакові.

Випрямний стовп це сукупність випрямних напівпровідникових діодів, з'єднаних послідовно та складених у єдину конструкцію, що має два виводи.

При такому з'єднанні напруга розподіляється між усіма діодами. Для забезпечення надійної роботи діодів паралельно до кожного з них підключається резистор (приблизно до 100 кОм) , що необхідно для вирівнювання зворотних опорів.(див. рис. 8)

Рис.8

Рис.9

Для отримання випрямного струму, що перевищує допустиме значення струму одного діода використовують паралельне включення однотипних діодів. Для зрівняння струмів, що проходять через діоди, послідовно з ними включаються додаткові резистори, Rдод, величиною до декількох Ом. Це допомагає штучно зрівняти прямі опори діодів.(рис.9).

Кремнієві стабілітрони. Напівпровідниковий діод, що працює в режимі зворотного пробою та використовується як джерело опорної напруги називається стабілітроном.

В кремнієвому стабілітроні напруга в області електричного пробою мало залежить від струму, тому він використовується для стабілізації напруги. Стабілітрон працює на ділянці електричного пробою.

Тунельні діоди. Напівпровідниковий діод на виродженому напівпровіднику, в якому тунельний ефект призводить до появи в пропускному напрямі вольт-амперної характеристики ділянки від'ємної диференційної провідності, називається тунельним.

Рис.10

Для виготовлення тунельних діодів використовується германій, арсенід та антимонід галію. Найчастіше використовують германієві тунельні діоди. Властивості тунельного діода визначаються його вольтамперною характеристикою (рис. 10).

Рис.11

Основною особливістю вольт-амперної характеристики тунельного діода є те, шо при прямій напрузі и, яка перевищуе деяку напругу и1, прямий тунельний струм починає різко зменшуватися. В інтервалі від и1 до и2 р-п перехід створює деякий негативний опір. А негативний опір не споживає потужність змінного сигналу, а віддає в зовнішнє коло. За допомогою негативного опору можлива компенсація втрат, що створюються в схемі завдяки позитивному опору, і відповідно, здійснення підсилення, генерування або перетворення електричних сигналів. Тунельні діоди використовуються в генераторах НВЧ та для побудови швидкодіючих імпульсних пристроїв.

На рисунку 11 наведена схема вмикання тунельного діода. Тунельні діоди мають дуже високу робочу частоту. Це пояснюється тим, що тунельний перехід електронів відбувається практично миттєво, приблизно за 10-13 с; при цьому електрони не витрачають свою енергію. Тунельний діод можна використовувати при дуже низькій температурі, при якій звичайні напівпровідникові діоди не здатні працювати.