Как определяется рабочий режим выпрямительного диода. Выпрямительные диоды: устройство, конструктивные особенности и основные характеристики

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению различают:

1) Выпрямительные диоды.

2) Стабилитроны.

3) Импульсные и высокочастотные диоды.

4) Туннельные диоды.

5) Варикапы.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока частотой 50 Гц в постоянный. Используется основное свойство электронно-дырочного перехода - односторонняя проводимость.

Представляет собой один p-n переход в герметичном корпусе с двумя выводами. Вывод положительной области называется анод, вывод отрицательной – катод.

На рисунке 19 изображена структура выпрямительного диода.

Рисунок 19 – Структура выпрямительного диода

Диод в электрических схемах обозначается в соответствии с рисунком 20.

Рисунок 20 - Изображение диода в электрических схемах

График зависимости между током и напряжением называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Выпрямительный диод имеет нелинейную ВАХ.

Характеристика для прямого включения диода вначале имеет значительную нелинейность, т.к. при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя увеличивается постепенно. При определенном напряжении запирающий слой практически исчезает и далее характеристика становится почти линейной.

При обратном включении ток резко увеличивается. Это происходит за счет резкого увеличения потенциального барьера в p-n переходе, резко снижается диффузионный ток, а ток дрейфа увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении обратного напряжения рост тока незначителен.

Нар рисунке 21 приведена вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Рисунок 21 – ВАХ выпрямительного диода

Параметры выпрямительных диодов – это величина, характеризующая наиболее существенные свойства прибора.

Различают: статические и предельные параметры.

Статические : Определяются по статическим характеристикам (см. рисунок 22).

Рисунок 22 – Дополнительные построения для определения статических параметров выпрямительного диода

1. Крутизна вольтамперной характеристики:

S = DI / DU , мА / В

где DI – приращение тока;

DU – приращение напряжения.

Крутизна вольтамперной характеристики показывает, на сколько миллиампер изменится ток при увеличении напряжения на 1 вольт.

2. Внутреннее сопротивление диода переменному току.

Ri = DU / DI , Ом

3. Сопротивление диода постоянному току.

R 0 = U / I , Ом

Параметры предельного режима :

Их превышение приводит к выходу прибора из строя. С учетом этих параметров строится электрическая схема.

1. I ПР.ДОП - допустимое значение прямого тока;

2. U ОБР.ДОП - допустимое значение обратного напряжения;

3. Р РАСС - допустимая мощность рассеивания.

Основным недостатком всех полупроводниковых приборов является зависимость их параметров от температуры. С увеличением температуры увеличивается концентрация носителей зарядов и проводимость перехода растет. Сильно увеличивается обратный ток. При увеличении температуры ранее наступает электрический пробой. На рисунке 23 приведено влияние температуры на ВАХ.

Рисунок 23 – Влияние температуры на ВАХ диода

На базе выпрямительного диода можно построить схему простейшего однополупериодного выпрямителя (см. рисунок 24).

Рисунок 24 - Схема простейшего выпрямителя

Схема состоит из трансформатора Т, который служит для преобразования исходного напряжения в напряжение нужной величины; Выпрямительного диода VD, который служит для выпрямления переменного тока, конденсатора С, который служит для сглаживания пульсаций и нагрузки R н.

Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой частоты. В основе выпрямительных свойств этих диодов лежит принцип односторонней проводимости электронно-дырочных р-и-переходов.

Универсальные диоды используют в различной радиоэлектрон-ной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекто-ров больших и малых сигналов и т. д. Диапазон рабочих токов и напряжений выпрямительных и уни-версальных диодов очень широк, поэтому они выпускаются как с точечным так и плоскостным р-n-переходом в структуре полупроводника с площадями от десятых долей квад-ратного миллиметра до несколь-ких квадратных сантиметров. Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с от-носительно высокими значениями прямых токов и обратных напря-жений. Этим требованиям удовлет-воряют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные дио-ды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.

Вольтамперная характеристи-ка (ВАХ) выпрямительных диодов выражает зависимость тока, про-ходящего через диод, от значения и полярности приложенного к нему постоянного напряжения Прямая ветвь характеристики показывает зависи-мость тока через диод при прямой пропускной полярности приложен-ного напряжения. Сила прямого тока экспоненциаль-но зависит от приложенного к диоду прямого напряжения и может достигать больших значений при малом (порядка 0,3 — 1 В) падении напряжения на диоде.

Обратная ветвь характеристики соответствует не-проводящему направлению тока через диод при обратной полярно-сти приложенного к диоду напряжения. Обратный ток (участок. ОД) незначительно зависит от приложенного обратного напряжения. При относительно большом обратном напряжении (точка В на характе-ристике) наступает электрический пробой р-n-перехода, при кото-ром быстро увеличивается обратный ток, что может привести к теп-ловому пробою и повреждению диода. При повышении температуры возрастут тепловой ток и ток генерации носителей зарядов в пере-ходе, что приведет к увеличению прямого и обратного токов и сме-щению характеристик диода.

Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их пара-метрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, свя-занные с ВАХ Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на постоянном токе пользуются дифференциальными параметрами, ха-рактеризующими их работу на переменном токе.

Выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (сред-нее значение за период), проходящий через диод, при котором обес-печивается его надежная и длительная работа. Сила этого тока ог-раничивается разогревом или максимальной мощностью Рмакс. Пре-вышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

Прямое падение напряжения UПр.Ср — среднее значение за пери-од на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
Допустимое обратное напряжение U0бр —среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и вы-ходу диодов из строя. При повышении температуры значения об-ратного напряжения и прямого тока снижаются.
Обратный ток Iобр — среднее значение за период обратного то-ка при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше

Вы-прямительные свойства диода. Повышение температуры на каждые 10 °С приводит к увеличению обратного тока у германиевых « крем-ниевых диодов, в 1,5 — 2 раза и более.

Максимальная постоянная , или средняя за период мощность Pмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно ра-ботать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обрат-ном смещениях перехода, т. е. за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока. Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом, Pмакс=(Tп.макс — Тк)/Rпк. Для приборов малой мощности, работающих без теплоотвода,

Pмакс = (Tп.макс — Т с) /Rп.с.

Максимальная температура перехода Гп.макс зависит от мате-риала (ширины запрещенной зоны) полупроводника и степени его легирования, т. е. от удельного сопротивления области р-n-перехода — базы. Диапазон Гп.макс для германия лежит в пределах 80 — 110°С, а для кремния 150 — 220 °С.

Тепловое сопротивление Rп.к между переходом и корпусом оп-ределяется температурным перепадом между переходом Тпи кор-пусом Tк и средней выделяемой в переходе мощностью Ра и состав-ляет 1 — 3°С/Вт: Ra.K=(Ta — TK)/Pa. Тепловое сопротивление Rn c между переходом и окружающей средой зависит от температурного перепада между переходом Тп и окружающей средой Тс. Поскольку практически RПK

Предельный режим использования диодов характеризуют мак-симально допустимое обратное напряжение UОбр макс, максимальный выпрямительный ток IПр макс и максимальная темпера-тура перехода ТПмакс С повышением частоты переменного напряжения, подводимого к диоду, ухудшаются его выпрямительные свойства. Поэтому для определения свойств выпрямительных диодов обычно оговаривается диапазон рабочих частот Дf или максимальная частота выпрямле-ния fмакс На частотах, больших fмакс, не успевают скомпенсироваться накопленные за время прямого полупериода неосновные носите-ли заряда в базе, поэтому при обратном полупериоде выпрямляемо-го напряжения переход некоторое время остается прямосмещенным (т е теряет свои выпрямительные свойства). Это свойство прояв-ляется тем значительнее, чем больше импульс прямого тока или вы-ше частота подводимого переменного напряжения Кроме того, на высоких частотах начинает проявляться шунтирующее действие барьерной и диффузионной емкостей p-n-перехода, снижающих его выпрямительные свойства

При расчете режима выпрямителей используются статическое со-противление постоянному току и дифференциальное сопротивление диодов переменному току

Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф=dU/dI или rДиф=ДU/ДI определяет изменение тока через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки на харак-теристике диода. При прямом включении напряжения rдиф Пр=0,026/ /IПр и токе IПр>10 мА оно составляет несколько омов При под-ключении обратного напряжения rДИф обр велико (от десятков ки-лоомов до нескольких мегаомов).
Статическое сопротивление диода постоянному току гпрд = UПр/Iпр, rобр д = Uобр/Iобр В Области прямых токов rПр д>rдиф пр, а в области обратных r0бр д

Емкости диодов оказывают существенное влияние на их работу на высоких частотах и в импульсных режимах. В паспортных дан-ных диодов обычно приводится общая емкость диода Сд, которая помимо барьерной и диффузионной включает емкость корпуса при-бора Эту емкость измеряют между внешними токоотводами диода при заданных обратном напряжении смещения и частоте тока

Выпрямительные диоды

В выпрямителях переменного напряжения наибольшее применение находят германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды. Основными методами получения р- n переходов для выпрямительных диодов являются сплавление и диффузия.

Конструкция маломощного сплавного кремниевого диода показана на рис. 6,1, а. Электронно-дырочный переход образуется вплавлением алюминия в кремний. Пластинка кремния с р- n переходом припаивается к кристаллодержателю, являющемуся одновременно основанием корпуса диода. К кристаллодержателю приваривается корпус со стеклянным изолятором, через который проходит вывод алюминиевого электрода.

Риc. 6.1. Конструкция выпрямительных диодов:

а - сплавной маломощный кремниевый диод (1 - внешние выводы; 2 - кристаллодержатель;

3 - корпус; 4 - стеклянный изолятор; 5 - алюминиевая проволока; 6 - кристалл; 7- припой);

б - мощный выпрямительный диод (1 - внешние выводы; 2 - стеклянный изолятор; 3 - корпус;

4 - кристалл; 5 - припой; 6 - кристаллодержатель);

в - выпрямительный столб

В диффузионных диодах р- n переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала. Конструкции диффузионных и сплавных выпрямительных диодов аналогичны. Маломощные выпрямительные диоды имеют относительно небольшие габариты и массу и с помощью гибких выводов монтируются в схему. У мощных диодов кристаллодержатель представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (рис. 6.1, б). Между кристаллом и основанием обычно помещают пластинку из вольфрама или ковара, имеющую примерно такой же коэффициент линейного расширения, как и материал кристалла. Это способствует уменьшению механических напряжений в кристалле при изменении температуры.

Выпрямительные столбы представляют собой несколько специально подобранных диодов, соединенных последовательно и залитых эпоксидной смолой. Внешний вид и схематическое устройство типичного выпрямительного столба показаны на рис. 6.1, в.

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве р- n перехода пропускать ток только в одном направлении.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольтамперная характеристика. Для сравнения на рисунке приведены типовые вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов может достигать 1500 В,

в то время как у германиевых оно лежит в пределах 100...400 В. Кремниевые диоды могут работать при температурах -60...+150°С, а германиевые - 60...-85 °С. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 °С резко увеличивается собственная проводимость германия, приводящая к недопустимому возрастанию обратного тока. Вместе с тем прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Это объясняется тем, что у германиевых диодов можно получить величину сопротивления в прямом направлении в 1,5-2 раза меньшую, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. Поэтому мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода, во столько же раз меньше. В связи с этим в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

К основным стандартизированным параметрам выпрямительных диодов относятся:

Средний прямой ток / ПР.СР - среднее за период значение прямого тока.

Максимально допустимый средний прямой ток / ПР.СР. max .

Средний выпрямленный ток / ВП.СР - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока).

Максимально допустимый средний выпрямленный ток – I ВП.СР. max .

Постоянное прямое напряжение U ПР. - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Среднее прямое напряжение U ПР.СР - среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем значении прямого тока.

Постоянное обратное напряжение U ОБР - значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение - U ОБР. max

Максимально допустимое импульсное обратное напряжение - U ОБР . И. max

Постоянный обратный ток / ОБР - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном, обратном напряжении.

Средний обратный ток / ОБР,СР - среднее за период значение обратного тока.

При разработке выпрямительных схем может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рис. 6.3, а).

Для выравнивания токов, протекающих через диоды, последовательно с диодами включаются омические добавочные резисторы R ДОБ порядка нескольких Ом. Это позволяет искусственно уравнять прямые сопротивления диодов, которые для разных образцов приборов могут быть существенно различными.

В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рис. 6.3, б ). При таком соединении напряжение распределяется между всеми диодами.

Для обеспечения надежной работы диодов параллельно каждому из них следует включить резистор (порядка 100 кОм) для выравнивания обратных сопротивлений. В этом случае напряжения на всех диодах будут равными.

Основное предназначение выпрямительных диодов – преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.

Устройство и конструктивные особенности

Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.

При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.

Обозначения:

А – вывод катода.
В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
С – кристалл n-типа.
D – кристалл р-типа.
E – провод ведущий к выводу анода.
F – изолятор.
G – корпус.
H – вывод анода.

Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Классификация по мощности

Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

Перечень основных характеристик

Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.

Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.

Принцип работы

Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением U IN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.

Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя

Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой I обр).

В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.

Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.

К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:

Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).

Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).

Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации

Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).

Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.

Устройство и принцип работы диодного моста

Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:

На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:

Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.

Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.

Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.

Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».

На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.

На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.