Эквивалентные схемы диодов
В расчетах радиотехнических схем диод приходится представлять в виде эквивалентной схемы, состоящей из элементарных элементов R, C, L, а при необходимости – источников тока и напряжения. С целью упрощения расчетов модель должна содержать только минимально необходимое число элементов, отражающих только главные физические процессы в диоде.
В частности, при работе на постоянных токах и НЧ эквивалентная схема должна учитывать сопротивление запирающего слоя p-n перехода RП, которая зависит от смещения и сопротивления базы rб (рис. 7).
Рис. 7
В области средних и высоких частот, а также в импульсном режиме дополнительно необходимо учитывать зависимость емкости диода от напряжения смещения (рис. 8).
Рис. 8
Работа диодов с нагрузкой
В практических схемах в цепь диодов включается нагрузка – резистор RН. Режим работы диода с нагрузкой называется рабочим режимом.
Рис. 9
Расчеты рабочего режима заключается в определении тока I в цепи и напряжения на диоде UД по известным Е, RН и ВАХ диода. Так как не удается получить явное решение уравнения Кирхгофа E = IRН + UД, где I = f(UД), расчет выполняется графически. Для RН соблюдается закон Ома: 
(1)
с другой стороны из ВАХ диода следует I = f(UД). (2)
Система из двух уравнений (1) и (2) решается графически (рис. 9). В координатах I-U изображает ВАХ диода и график функции (1) (при I = 0; U = E – точка A; при UД = 0; I = E/RН точка Б).
Уравнение (1) определяет линию нагрузки диода. Координаты точки пересечения графиков I*, U* дают искомое решение задачи расчета рабочего режима, т.е. ток в цепи I = I* и напряжение на диоде UД = U*.
Выпрямительные диоды
Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления напряжения переменного тока.
Выпрямительные диоды используют в качестве вентилей – элементов с односторонней проводимостью. Основное их применение выпрямление токов с частотой до единиц кГц.
Простейшая схема однополупериодного выпрямления и процессы формирования выходного напряжения показаны на рис. 10.
Рис. 10
Во время положительной полуволны напряжения e(t) через нагрузку RН протекает импульс прямого тока с амплитудой Im.
При воздействии отрицательной полуволны напряжения e(t) через диод протекает малый обратный ток Iобр.
Таким образом, через нагрузку протекает пульсирующий ток, в виде импульсов, длящихся пол периода и разделенных промежутком также в половину периода.
В более сложных двухполупериодных выпрямителях энергия источника e(t) используется более рационально. Схема такого выпрямителя представлена на рис. 11.
Рис. 11
В результате через RН при воздействии каждого полупериода напряжения e(t) протекает импульс тока одной полярности. Это позволяет достичь большего значения среднего выпрямленного тока IСР (рис. 12).
Рис. 12
В качестве параметров выпрямительных диодов в справочниках приводятся параметры UПР, при фиксированном токе IПР, а также предельные параметры Iпрmax, Uобрmax.
Амплитуда выпрямляемого напряжения Um ограничена Uобрmax. При необходимости выпрямления более высоких напряжений применяют последовательное соединение диодов (рис. 13).
Рис. 13
Однако, вследствие разброса обратного сопротивления диодов, падение напряжения на диодах распределяется не равномерно, что может привести к последовательному пробою всех диодов цепи. Для выравнивания напряжений диоды шунтируют одинаковыми сопротивлениями RШ < Rобрmin. На практике RШ » 100кОм.
Для повышения максимального прямого тока иногда применяют параллельное соединение диодов (рис. 14). При этом также вследствие разброса характеристик наблюдается неравномерное распределение токов.
Рис. 14
Для выравнивания токов последовательно с диодами подключают резисторы R сопротивление не более 1 Ом. Добавочные сопротивления определяются подбором.
Импульсные диоды
Полупроводниковые диоды широко используются в качестве ключа – устройства, имеющего два состояния: включенное и выключенное. Время смены состояния диода должно быть минимальным, т.к. оно определяет быстродействие диода. Диоды, предназначенные для работы в режиме ключа, называются импульсными.
Рассмотрим работу диода при воздействии прямоугольного импульса напряжения (рис. 15).
Рис. 15
При прямом смещении p-n перехода происходит инжекция неосновных носителей заряда из эмиттера (n+) в базу (p) диода. Поэтому концентрация неосновных носителей np превышает равновесную концентрацию np0. При переключении смещения с прямого на обратное неосновные носители не могут рекомбинировать мгновенно, начинается обратное движение носителей: инжектированные носители возвращаются к переходу, создавая при этом ток Iобр, который может значительно превосходить ток насыщения Iо. С течением времени концентрация неосновных носителей стремится к равновесной из-за возвращения их через переход и рекомбинации. По мере рассасывания неосновных носителей ток стремится I0 и достигает его значения в течение времени tвосс, называемого временем восстановления обратного сопротивления диода. За это время из тела базы диода выводится заряд неосновных носителей, который называется зарядом переключения.
Вторая причина возникновения импульса обратного тока – заряд барьерной емкости перехода.
При подаче на диод импульса тока, напряжение на диоде устанавливается через время tуст, которое называется временем установления прямого сопротивления диода (рис. 16).
Рис. 16
Снижение напряжения на диоде обусловлено процессом накопления неосновных носителей в базе диода, что приводит к постепенному снижению сопротивления диода при прямом смещении. После окончания импульса тока напряжение на диоде спадает по мере рассасывания неосновных носителей и разряда диффузионной емкости диода.
Таким образом, быстродействие полупроводниковых приборов определяют процессы накопления и рассасывания неосновных носителей, а также процессы перезаряда емкостей перехода. Увеличение быстродействия или снижение tуст и tвосс можно достичь снижая tp и tn, а также Cб и CД. Длительность переключения зависит также от соотношения Iпр/Iобр, т.к. чем больше Iпр, тем больше скапливается неосновных носителей в базе. Ограничивая прямой ток через диод можно существенно сократить время переключения диода.
Импульсные диоды характеризуются величинами прямого и обратного импульсных токов, которые значительно превышают непрерывные токи.
Быстродействие диода как ключа характеризуют tуст и tвосс.
Точечные диоды, обладая малой емкостью перехода, до 5 пф.