Меню

3 диоды для выпрямления переменного тока по направлению это

Выпрямление переменного тока с помощью выпрямительных диодов

date image2015-05-13
views image16426

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Выпрямление переменного тока — один из основных процессов в радио­электронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобра­зуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потреби­телем энергии переменного тока и гене­ратором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые дио­ды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых дио­дов применяется для выпрямления пере­менного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рисунке 2.19, а. В ней последовательно соединены гене­ратор переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор Rн, который можно включать также и в другой про­вод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Пра­вильнее бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор пере­менной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собой комбинацию несколько однофазных однотактных схем.

Рисунок 2.19 – Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом

В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, вклю­ченный в электрическую сеть (рисунок 2.19, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора Rн, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрям­лении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемни­ков генератором переменной ЭДС слу­жит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой – резистор с большим со­противлением.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусои­дальную ЭДС е = Ет sin wt и его внутрен­ним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе Rн падение напряжения иR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и иR = 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 Rн выпрямленное напряжение. Просле­див направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода – минус.

Графики на рисунке 2.20 наглядно ил­люстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Ет (рисунок 2.20, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления люда, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом слу­чае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением Imax (рисунок 2.20, б). Этот же график тока в дру­гом масштабе изображает выпрямлен­ное напряжение иR, так как иR = iRн. Достаточно умножить значения тока на Rн, чтобы получить кривую напряже­ния.

Рисунок 2.20 – Принцип работы простейшего выпрямителя

График на рисунке 2.20, в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибоч­но его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источ­ника переменной ЭДС. На самом же деле это напряжение имеет несинусои­дальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полу­волн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда прохо­дит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагру­зочном резисторе Rн, сопротивление которого значительно превышает сопро­тивление диода. В этом случае

Источник

Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическ.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Читайте также:  Что такое опер ток оперативный ток

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):

Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».
При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

— максимальное обратное напряжение диода – Uобр ;

— максимальный ток диода – Imax ;

— прямое падение напряжения на диоде – Uпр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода Uобр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока Imax выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – Uпр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей предназначены для преобразования переменного — изменяющего полярность напряжения в однополярное — не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

Источник

Принцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов

Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

  • Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
  • Второй определяет подкласс,
  • Третий обозначает рабочие возможности,
  • Четвертый является порядковым номером разработки,
  • Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Вольт-амперная характеристика

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

Изменение ВАХ в зависимости от температуры

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Читайте также:  Растворы солей хорошо проводят электрический ток

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Коэффициент выпрямления

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

  • Наибольшее значение среднего прямого тока,
  • Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
  • Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

  • Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
  • Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
  • Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

  • Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
  • Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Конструкция однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Самая простая двухполупериодная схема из двух однополупериодных

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

  • Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи,
  • Период установки прямого напряжения,
  • Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

Источник



Применение диодов для выпрямления переменного тока

Отечественная электрическая сеть представляет собой переменный ток напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Бытовая аппаратура подключается в сеть переменного тока, а отдельные узлы и блоки этой аппаратуры работают на постоянном токе. Для работы бытовой аппаратуры необходимые затраты электрической энергии обеспечиваются вторичными источниками питания, использующими энергию первичных источников питания.

Вторичные источники питания разделяются на источники постоянного и переменного напряжения, которые в свою очередь делятся на стабилизированные и нестабилизированные.

Нестабилизированные источники применяются для питания аппаратуры, энергопотребление которой не изменяется в процессе работы. Они разделяются на однополупериодные, т. е. использующие полупериод переменного тока, и двухполупериодные, использующие два полупериода. Деление обусловлено способом включения выпрямительных диодов.

На рис. 5.7 показана принципиальная схема источника питания с однополупериодным выпрямлением.

Рис.5.7. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя: TV – трансформатор переменного тока; RC – интегрирующая цепочка

При отсутствии после диода сопротивления и конденсаторов (интегрирующей цепочки) наблюдались бы только отдельные полупериоды тока. Сглаживание и фильтрация пульсации происходят в данной схеме интегрирующей цепочкой RC. Уровень пульсации обычно выражают величиной пульсации DU. Однополупериодные источники используются в тех видах аппаратуры, где понижены требования к величине пульсации выходного напряжения. При повышенных требованиях к величине пульсации DU применяют двухполупериодные выпрямители (рис. 5.8).

В этом выпрямителе применена схема из четырех диодов. Принцип работы этой схемы следующий. Если в точке А в момент времени t1 имеется положительный полупериод переменного тока, то диод VД2 открыт и пропускает этот ток, а диод VД1 закрыт. Если в следующий момент времени t2 в точке А имеется отрицательный полупериод переменного тока, то диод VД2 закрывается, а диод VД1 пропускает ток. Поэтому получаем непрерывную цепочку полупериодов тока. Конденсатор С сглаживает уровень пульсации до величины DU. Следует отметить, что двухполупериодные выпрямители имеют меньшие энергопотери по сравнению с однополупериодным.

Рис. 5.8. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя

Стабилитроны

Полупроводниковым стабилитроном, или опорным диодом, называют плоскостный полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого отражает слабую зависимость напряжения от тока в области электрического пробоя (рис. 5.9).

Рабочий участок вольт-амперной характеристики стабилитрона обусловливается электрическим пробоем p-n-перехода при включении диода в обратном направлении. Подобной вольт-амперной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного полупроводникового материала. При этом напряженность электрического поля в p-n-переходе стабилитрона значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n-переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. Напряжение, при котором происходит лавинный пробой, зависит от удельного сопротивления полупроводникового материала. С ростом удельного сопротивления напряжение лавинного пробоя увеличивается.

Рис. 5.9. Вольт-амперная характеристика стабилитрона КС104А

Так как кремниевые диоды имеют меньшее значение обратного тока, обладают большей устойчивостью к тепловому пробою, чем германиевые диоды, поэтому в качестве стабилитронов применяют только кремниевые диоды.

Читайте также:  Внизу живота как будто током бьет при беременности

Основными электрическими параметрами стабилитрона являются (в скобках даны их типовые значения):

1. Напряжение стабилизации Uст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – сотни вольт);

2. Ток стабилизации Iст – номинальное значение тока, протекающего через стабилитрон, определяющее напряжение стабилизации (несколько мА – несколько А);

3. Дифференциальное или динамическое сопротивление rст, которое определяется при заданном значении тока стабилизации на участке пробоя как

.

Дифференциальное сопротивление определяет наклон обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона. Величина rст колеблется в пределах от 1 до 1000 Ом.

4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКНст – относительное изменение напряжения стабилизации DUст / Uст к изменению температуры окружающей среды на , т.е. при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока стабилизации (± сотые – тысячные доли процента на градус)

[%/град].

ТКН для сплавных переходов равен 0,37 %/град, а для диффузионных – 0,3 %/град.

Кроме того, в технических условиях на стабилитроны указываются следующие предельно-допустимые режимы эксплуатации.

1. Максимально-допустимый ток стабилизации в диапазоне температур Iст. макс (десятки мА ÷ единицы А), определяемый максимально-допустимой мощностью.

2. Минимальный ток стабилизации в диапазоне температур Iст. мин (от 1 ÷ 3 мА);

3. Максимально-допустимая мощность в диапазоне окружающей температуры Рмакс (от нескольких милливатт до нескольких ватт);

На рис. 5.10 представлена простейшая схема стабилизации напряжения постоянного тока на стабилитроне. По этой схеме осуществляется стабилизация напряжения как при изменении входного напряжения, так и при изменении величины сопротивления нагрузки.

Рис. 5.10. Схема включения полупроводникового стабилитрона в схему стабилизации напряжения на нагрузке

При возрастании входного напряжения увеличивается ток стабилитрона, а, следовательно, и обратный ток Iо и падение напряжения на ограничительном сопротивлении Rогр. Приращение напряжений DUвх и DIоRогр взаимно компенсируются, поэтому напряжение стабилизации остается прежним.

Величина ограничительного сопротивления может быть определена по формуле

,

где Iн – ток, протекающий через сопротивление нагрузки.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов, в том числе стабилитронов, имеет крутой подъем, поэтому для стабилизации малых напряжений (порядка 0,8 ÷1,5 В) можно использовать кремниевые диоды, включенные в прямом направлении.

Отечественная промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 5 до 300 В при токе стабилизации от 0,1 мА до 2 А и при рассеиваемой мощности от 0,15 до 50 Вт.

Варикапы

Ранее указывалось, что ширина p-n-перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап – это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости.

В варикапах используется свойство барьерной емкости обратно-смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Барьерная емкость p-n-перехода равна емкости плоского конденсатора

,

где – площадь p-n-перехода; – ширина p-n-перехода.

С увеличением обратного напряжения Uобр на p-n-переходе его барьерная емкость Сб уменьшается. Характер изменения Сб в зависимости от приложенного к p-n-переходу напряжения Uобр показан на рис. 5.11. Емкость варикапа меняется в широких пределах и его значение при обратном приложенном напряжении U определяют из выражения

,

где Св(0) – емкость при U = 0; Uк – значение контактной разности потенциалов, равное

;

m = 2 для резких переходов и m = 3 для плавных переходов.

Рис. 5.11. Зависимость емкости варикапа от напряжения смещения

Варикапы изготовляют на основе германия, кремния, арсенида галлия.

Основные параметры варикапа: номинальная (начальная) емкость Сном; добротность Qв, коэффициент перекрытия по емкости Кс и температурный коэффициент емкости (ТКЕ) aСв.

Номинальная емкость варикапа Сном – барьерная емкость p-n-перехода при заданном напряжении смещения и составляет от долей пФ до сотен пФ.

Коэффициент перекрытия по емкости Кс – отношение емкости варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:

.

Смакс ограничивается емкостью при U = 0, т.е. С(0). Смин ограничивается обратным допустимым напряжением. Кс позволяет определить величину изменения емкости в диапазоне рабочих напряжений от Uмин до Uмакс (Uмакс по абсолютной величине может достигать 200 В). Характерные значения Кс составляют 2 – 20, причем если плавные и резкие p-n-переходы имеют обычно Кс £ 4, то в случае сверхрезких p-n-переходов Кс имеют большие значения.

Добротность Qв – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала Хс к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Qв измеряют обычно при тех же обратных напряжениях, что и емкость варикапа. Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот

(f > 1 МГц), для которых

,

где r – последовательное (по отношению к С) сопротивление диода, включающее сопротивление потерь в объеме кристалла полупроводника, сопротивление контакта и элементов конструкции. В настоящее время достигнуты значения Qв > 500 на

f = 50 МГц при С = 70 пФ.

Температурный коэффициент емкости acв – отношение относительного изменения емкости к вызывающему его абсолютному изменению температуры окружающей среды, т.е. другими словами относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 1 градус:

.

Для кремниевых варикапов с резким p-n-переходом ТКЕ имеет значение порядка 5·10 –4 град –1 при |U| = 4 В. С усилением зависимости емкости варикапа от напряжения, а также при понижении Uмин ТКЕ возрастает и при U = 1 В может достигать 5·10 –3 град –1 .

В радиоэлектронных устройствах свойство нелинейного изменения емкости варикапа используют для получения параметрического усиления, умножения частоты и т.д., а возможность электрического управления емкостью – для дистанционной и безынерционной перестройки резонансной частоты колебательного контура.

Контрольные вопросы

1. Какой полупроводниковый прибор называют диодом?

2. Расскажите о методе получения точечного диода.

3. Какова схема получения сплавного перехода?

4. Какие Вы знаете диффузионные методы получения p-n-перехода?

5. Начертите вольт-амперную характеристику диода и покажите на ней основные параметры диода.

6. Чем отличается ВАХ германиевого диода от кремниевого?

7. Начертите принципиальную схему однополупериодного выпрямителя на диоде.

8. Начертите принципиальную схему двухполупериодного выпрямителя на диодах.

9. Какой диод называют стабилитроном?

10. Начертите ВАХ стабилитрона и назовите его основные электрические параметры.

11. Какое свойство диода используется в варикапе?

12. Начертите зависимость емкости варикапа от напряжения смещения.

13. Назовите основные электрические параметры варикапа.

Источник