Применение выпрямительных диодов
В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, то основным назначением большинства полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.6,а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС Е, диод VD и нагрузочный резистор RH . Эта схема называется однополупериодной, так как ток проходит через него только в одном направлении один раз за период.
В выпрямителях для питания электронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 3.6,б). При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит резонансный колебательный контур, а нагрузкой — резистор с большим сопротивлением.
Рис. 3.6. Схема выпрямителя с полупроводниковым диодом
Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС:
E = Uтsinωt
и его внутренним сопротивлением можно пренебречь.
Во время одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит .ток, создающий на резисторе RН падение напряжения UH. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и UН = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе RH выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода - минус.
Графики на рис. 3.7 наглядно показывают процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Uт (рис. 3.7,а). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением Imax (рис. 3.7,б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение UН, так как UН = IRH .
Рис. 3.7. Диаграммы работы простейшего выпрямителя
График на рис. 3.7,визображает напряжение на диоде. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе RH, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае:
Uпр max = Um – UH max = Um – ImaxRH « Um . (3.8)
Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1-2 В.
При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе RH равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника (Uобр = -Um).
Из графика на рис. 3.7,бвидно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение, Ucp. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением Um среднее значение за полупериод:
Ucp = 2Um/π = 0.636Um . (3.9)
Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше:
Ucp = Um/π = 0.318Um . (3.10)
Приближенно Ucp составляет 30 % максимального значения. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать:
UH max ≈ Um и Uср ≈ 0.3Um . (3.11)
Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую U~ , которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 3.8,а).Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительности этих полуволн неодинаковы, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.
Рис. 3.8. Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения
Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т. е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис. 3.8,бпеременная составляющая изображена отдельно. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).
В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости (рис. 3.6,б), через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.
В простейшей схеме выпрямителя первая гармоника пульсаций очень велика. Ее амплитуда Um1 больше полезной постоянной составляющей:
Um1 = 0.5Um = 1.57Uср. (3.12)
Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:
1/ωC « RН . (3.13)
Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Uт. В то время когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку RH и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.
При отсутствии конденсатора (Ucp « 0,3 Um), а при наличии конденсатора достаточно большой емкости Ucp приближается к Uт и может быть равным (0,8÷0,95) Uт и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и RH, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе Ucp к Uт. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. RH =∞), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Vт.
Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором поясняет рис. 3.9, на котором показаны графики ЭДС источника E, тока через диод I и напряжения на конденсаторе Uс, равного напряжению на нагрузке UH.
Рис. 3.9. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора
Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде Uд равно разности ЭДС источника и напряжения конденсатора:
Uд = E - Uc . (3.14)
Так как Uс близко к Um то Uд становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда E превышает Uс (вблизи значения Uт). В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор.
Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда E = — Uт. Поскольку напряжение конденсатора также близко к Uт, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2Um. Если цепь нагрузки разомкнута (холостой ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Ет. Таким образом, применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его значением при отсутствии конденсатора. Поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение.
Импульсный режим диодов
Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупроводниковые диоды часто работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам микросекунд и меньшей. Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой RH во много раз больше прямого сопротивления диода (Rн»Rnp). Пусть такая цепь (рис. 3.6,a) находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса τp = 1мкс), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рис. 3.10,а).
Рис. 3.10. Импульсный режим работы диода
График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на RH показан для этого случая на рис. 3.10,б. При прямом напряжении ток в цепи определяется сопротивлением RH.
При перемене полярности напряжения, т.е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит импульс обратного тока (рис. 3.10,б), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме Iобр.уст. Причины возникновения импульса обратного тока — это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в р-и п-областях.
Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося весьма малого значения Iобр.уст. Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода Rобр сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем оно постепенно возрастает и доходит до своего нормального установившегося значения.
Время τвос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он уменьшится до установившегося значения, называют временем восстановления обратного сопротивления. Оно является важным параметром диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов τвос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше, так как тогда диод быстрее запирается.