Способы включения выпрямительного диода

Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей.

Диоды в схемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД.

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах (рис. 13).

Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды

Стабилитроны.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-то уровня неизменным. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой.

Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным включением (рис. 14).

Резистор Ro задаёт ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальным током стабилизации.

При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации.

Следовательно, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст.min до Iст.max.

Основные параметры стабилитронов:

— Напряжение стабилизации Uст.

— Минимальное, максимальное и номинальное значение тока стабилизации Iст.min, Iст.max, Iст.ном. (рис. 16).

ΔUст. – изменение напряжения стабилизации.

Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации:

— Температурный коэффициент стабилизации

Стабилитроны, предназначенные для стабилизации малых напряжений, называются стабисторами.

Стабисторы – для стабилизации напряжения менее 3В, и у них используется прямая ветвь ВАХ (рис. 18).

Применяются стабисторы в прямом включении.

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением.

Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, то ширина потенциального барьера увеличивается.

При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика С=f(Uобр).

Основные параметры варикапов:

— Максимальное, минимальное и номинальное значение ёмкости варикапа.

— отношение максимальной ёмкости к минимальной.

— Максимальное рабочее напряжение варикапа.

Фотодиоды.

Фотодиодом называется фотогальванический приёмник излучения, светочувствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления.

При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотогенерация собственных носителей зарядов (рис. 21), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов.

Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как не основных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.

Для фотодиодов Iобр – это фототок. Зависимость фототока Iф от величины светового потока Iф=f(Ф) (рис. 22).

Спектральная характеристика – это зависимость фототока от длины волны светового излучения Iф=f(λ).

Темновой ток – ток через фотодиод при отсутствии светового потока и при заданном рабочем напряжении.

Интегральная чувствительность – это отношение фототока к световому потоку

Рабочее напряжение – это обратное напряжение, подаваемое на фотодиод, при котором все параметры фотодиода будут оптимальными.

Светодиоды.

Светодиодом называется полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.

При прямом включении основные носители заряда переходят через p-n переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых типов на основе арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика, и длина волны лежит в видимой части спектра.

При обратном включении через p-n переход переходят неосновные носители заряда в область, где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют.

а) Яркостная характеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого тока Pu=f(Iпр).

б) Спектральная характеристика – это зависимость мощности излучения от длины волны Pu=f(λ).

Источник

Способы включения выпрямительного диода

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) – заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^<-19>\ Кл\); \(k\) – постоянная Больцмана \(k = 1,38⋅10^ <-23>Дж\cdot град\); \(T\) – температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_<ст>\) и динамическое \(R_<дин>\). Статическое сопротивление \(R_<ст>\), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\), соответствующих этой точке: \(R_ <ст>= \frac = tg<\alpha>\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): \(R_ <дин>= \frac<\Delta U><\Delta I>\);

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда \(R_ <дин>= tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку \(U_0\) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление \(R_<дин>\) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где \(R_<дин>\) мало.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением \(I_<пр.max>\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине \(U_<проб>\) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

• обратимый (электрический пробой);
• необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение \(U_<проб>\) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно \(0,5\ U_<проб>\) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения \(∆U\) соответствует большое изменение тока \(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от \(i_<обр. min>\) до \(i_<обр. max>\) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

Эксперимент

Оборудование

Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»

Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода \(I_ <пр>= f(U_<пр>)\) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.

1. Установить напряжение источника питания на 5 В
2. Выставить значение потенциометра \(R1\) на максимум.
3. Включить установку
4. Внимательно изучить схему

После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.

Уменьшая значение потенциометра \(R1\), изменять прямое напряжение диода в пределах, указанных в табл. 1.1, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1–0,05 В. Результаты измерений занести в табл. 1.1.
Таблица 1.1

\(U_<пр>\), В	0	0.1	0.2	0.3	0.35	0.4	0.45	0.5
\(I_<пр>\), A

Выключить установку.

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода \(I_ <обр>= f(U_<обр>)\) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.

1. Установить напряжение блока питания 30 В.
2. Выставить значение потенциометра \(R2\) на максимум
3. Внимательно изучить схему установки

Включить установку

Уменьшая значение потенциометра \(R2\), изменять обратное напряжение на диоде в пределах, указанных в табл. 1.2. Значения тока фиксировать через каждые 5 В. Результаты измерений занести в табл. 1.2.
Таблица 1.2

\(U_<обр>\), В	0	5	10	15	20	25	30
\(I_<обр>\), A

Выключить установку.

По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

По ВАХ или таблицам определить:

1. Статическое сопротивление диода в прямом включении \(R_<ст.пр>=\frac>>\) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении \(R_<дин.пр>=\frac<\Delta I_<пр>><\Delta U_<пр>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
3. Статическое сопротивление диода в обратном включении \(R_<ст.обр>=\frac>>\) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении \(R_<дин.обр>=\frac<\Delta I_<обр>><\Delta U_<обр>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).

Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»

Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона \(I_ <пр>= f(U_<пр>)\) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.

1. Установить напряжение источника питания на 5 В
2. Выставить значение потенциометра \(R5\) на максимум.
3. Включить установку
4. Внимательно изучить схему

После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.

Уменьшая значение потенциометра \(R5\), изменять прямое напряжение стабилитрона в пределах, указанных в табл. 1.3, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1 В. Результаты измерений занести в табл. 1.3.
Таблица 1.3

\(U_<пр>\), В	0	0.1	0.2	0.3	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
\(I_<пр>\), A

Выключить установку.

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона \(I_ <обр>= f(U_<обр>)\) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.

1. Установить напряжение блока питания 30 В.
2. Выставить значение потенциометра \(R7\) на максимум
3. Внимательно изучить схему установки

Включить установку

Уменьшая значение потенциометра \(R7\), изменять обратное напряжение на стабилитроне в пределах, указанных в табл. 1.4. Увеличить число фикси- руемых точек характеристики, начиная с 3 В. Для каждого значения напряжения изме- рить ток. Результаты измерений занести в табл. 1.4.
Таблица 1.4

\(U_<обр>\), В	0	1	2	3	3,5	4	4,5	5	5,2	5,4	5,6
\(I_<обр>\), A

Выключить установку.

По данным табл. 1.3 и 1.4 построить ВАХ стабилитрона.

Источник