Полупроводниковые диоды. Выпрямители на полупроводниковых диодах

Односторонняя проводимость p-n-перехода позволяет его использовать для выпрямления переменного тока и для детектирования высокочастотных электромагнитных колебаний в радиоприёмниках и телевизорах. Деталь, работающая в режиме p-n-перехода, называется полупроводниковым диодом и изображена на схемах так:

Направление, указанное стрелкой, совпадает с направлением прямого тока. Следовательно, слева p-полупроводник, справа – n.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода примерно такова.

Рис. 46

Масштаб напряжений при прямом и обратном токах на графике различный.

Из графика видно, что прямой ток через диод резко возрастает при малом возрастании напряжения, а обратный ток при тех же по модулю напряжениях ничтожен и становится существенным только при очень высоких обратных напряжениях.

Очень высокие обратные напряжения могут вызвать так называемый тепловой пробой диода – необратимый процесс, приводящий к разрушению вещества диода. Так как в режиме теплового пробоя из-за лавинного характера образованных новых электронов, обратный ток резко увеличивается, и при этом нарушается устойчивость теплового режима работы диода, тогда вследствие нагревания диода обратным током температура его растёт, что приводит к дальнейшему увеличению тока и так далее. Наступает перегрев диода и его разрушение.

Устройства, использующие одностороннюю проводимость полупроводникового диода для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямители. На рисунке 47 изображена простейшая схема однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Пусть напряжения на клеммах a и b меняется по гармоническому закону, и его осциллограмма такова:

Тогда осциллограмма тока через нагрузку R будет иной.

Рис. 47а

При прямом напряжении на клемме «а» +, а на клемме «b» --. Через диод и нагрузку идёт прямой ток от «a» к «b»в течение первой половины периода. (Направление тока через нагрузку R показано стрелкой)

Рис. 47б

При обратном напряжении в течение второй половины периода ток в цепи не идёт (обратным током через диод пренебрегаем) и диод «закрыт».

Таким образом, благодаря диоду, ток через нагрузку представляет собой импульсы тока одного направления.

Чтобы приблизить этот выпрямленный ток по форме к постоянному току, используются так называемые сглаживающие фильтры, с помощью которых изменение величины выпрямленного тока сводятся к минимуму.

Простейшим сглаживающим фильтром может служить конденсатор, подключённый к нагрузке. На рисунке 48 изображена схема выпрямителя с таким фильтром.

Рис. 48

В первую половину периода, когда диод «открыт», конденсатор заряжается так, что на верхней его пластине образуется положительный заряд, а на нижней – отрицательный; это замедляет рост тока через нагрузку.

В течение второй половины периода диод «заперт», но заряженный конденсатор замкнут на нагрузку, и через неё течёт ток разрядки конденсатора того же направления, что и в течение первой половины периода. Если ёмкость конденсатора достаточно велика, чтобы время его разрядки (τ = RC) было больше периода колебаний напряжения, то ток убывает медленно и не успевает обратиться в ноль, как знаки на клеммах меняются на противоположные, и через диод и нагрузку уже течёт прямой ток. На рисунке 49 изображена осциллограмма такого тока.

Рис. 49

Здесь пунктиром изображена осциллограмма тока через нагрузку в выпрямителе без фильтра.

Применяются также двухполупериодные выпрямители на четырёх диодах, собранных по так называемой «мостиковой схеме», изображена на рисунке 50.

Рис. 50

В течение первой половины периода, когда на клемме а «+», а на клемме b «–», первый и третий диоды «открыты», а второй и четвёртый «заперты» и ток проходит сначала через первый диод, потом через нагрузку от точки c к d, а потом через третий диод.

За вторую половину периода знаки на клеммах a и b меняются на противоположные, первый и третий диоды заперты, ток идёт через открытые второй и четвёртый диоды и через нагрузку в том же направлении, что и полпериода тому назад.

Осциллограмма такого тока изображена на рисунке 51

Рис. 51

Получается непрерывный ток одного направления. Такие выпрямители обладают существенно большим КПД чем однополупериодные.

Сглаживание пульсаций выпрямленного тока можно осуществить с помощью конденсатора, как и в первой схеме, а можно с помощью катушки индуктивности (она называется здесь дросселем), соединённой последовательно с нагрузкой, по схеме, изображённой на рисунке 52.

Рис. 52

В этом случае, вследствие явления самоиндукции в дросселе изменения силы тока через него, а, следовательно, и через нагрузку сводятся к минимуму. На рисунке 53 изображена осциллограмма такого тока.

Рис. 53

Пунктиром нарисована осциллограмма тока в выпрямителе без дросселя. Ещё лучше в качестве сглаживающего фильтра использовать и конденсатор и дроссель, включённые к диодному мосту по схеме «Г»-фильтра, изображённой на рисунке 54

Рис. 54

или по схеме «П»-фильтра с двумя конденсаторами, изображённая на рисунке 55.

По последней схеме, если правильно рассчитать параметры конденсатора и дросселя можно построить почти идеальный выпрямитель, благодаря которому через нагрузку идёт практически постоянный ток.

Рис. 55

Такие схемы используются для питания электронных ламп в радиоприёмниках и электродов электронно-лучевых трубок.

Большой вклад на создание и разработку теории полупроводников и технологию их использования в электротехнике был внесён российскими учёными: академиками А.Ф. Иоффе, Я.И. Френкелем, В.И. Перрелем, А.Р. Регелем, Ж.И. Алфёровым и другими.

Дата добавления: 2015-05-06