Аналоговая электроника

Электрический пробой обратим, т.е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются.

Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в ка-

честве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режи-

мах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения

Uобр мах .

2.1.3. Выпрямительные свойства диодов,

однополупериодный и двухполупериодный выпрямители

Свойство односторонней проводимости p n перехода лежит в осно-

ве работы выпрямительных диодов, используемых для выпрямления пере-

менных (в том числе гармонических) сигналов. Простейшая схема однопо-

лупериодного выпрямителя приведена на рис. 7. Последовательно с дио-

дом VD подключается фильтрующая емкость (конденсатор) С, а парал-

лельно ей – сопротивление нагрузки Rн.

Рис. 7. Электрическая схема однополупериодного выпрямителя

31

Пусть сначала на вход этой цепи подается гармоническое (синусои-

дальное) напряжение uвх при отключенной емкости (ключ Кл разомкнут).

Тогда за счет односторонней проводимости диода на нагрузке Rн будут выделяться только положительные полуволны (напряжение Uн, см. вре-

менную диаграмму рис. 8). Отсюда название данного выпрямителя.

Рис. 8. Временная диаграмма работы однополупериодного

выпрямителя

Во время действия положительной полуволны входного синусои-

дального сигнала диод будет прямо смещенным, его дифференциальное сопротивление будет очень маленьким, поэтому через него будет проте-

кать ток и все входное напряжение будет падать на Rн. Во время действия отрицательной полуволны синусоиды диод будет находиться в запертом состоянии, ток через него проходить практически не будет, входное на-

пряжение будет падать на диоде, а на Rн оно будет практически равно ну-

лю.

При подключении емкости С (ключ Кл замыкается), она будет во время действия восходящего участка каждой полуволны заряжаться при-

мерно до амплитудного значения синусоиды Umax. Далее будет происхо-

32

дить ее частичный разряд через сопротивление Rн до напряжения Umin (см.

рис. 8), а во время действия следующей полуволны – снова дозаряд до Umax

и т.д. Таким образом, на сопротивлении нагрузки будет иметь место прак-

тически постоянное напряжение, имеющее некоторые пульсации. Они происходят относительно некоторого среднего значения Uср = (Umax + Umin) / 2 (рис. 8). При этом через сопротивление нагрузки будет протекать соот-

ветствующий средний ток Iср = Uср / Rн.

Для характеристики этих пульсаций вводится коэффициент пульса-

ций kп, который в общем случае определяется по формуле:

где ΔUп = Umax – Umin (см. рис. 8).

Величина пульсаций прямо пропорциональна среднему току через нагрузку Iср и обратно пропорциональна значению действующего напря-

жения на входе выпрямителя, частоте этого напряжения f и емкости кон-

денсатора С. Для однополупериодного выпрямителя формула для опреде-

ления коэффициента пульсаций в этом случае имеет вид:

Пульсации являются отрицательным фактором, влияющим на каче-

ство работы выпрямителя, поэтому на практике их стремятся свести к ми-

нимуму. Согласно (12), достигнуть этого можно, например, увеличением емкости конденсатора С и увеличением частоты входного напряжения f,

поскольку они не определяют выходные электрические параметры выпря-

мителя.

Уменьшить величину пульсаций выходного напряжения выпрямите-

ля и, таким образом, повысить его качество, позволяет также использова-

33

ние обеих полуволн синусоидального входного напряжения, сделав их од-

ной полярности. Получить это позволяет схема двухполупериодного вы-

прямителя. Вариант такой схемы приведен на рис. 9, а соответствующие временные диаграммы ее работы – на рис. 10.

Рис. 9. Электрическая схема двухполупериодного

выпрямителя

Рис. 10. Временная диаграмма работы двухполупериодного

выпрямителя

Схема работает по тому же принципу, что и описанный выше одно-

полупериодный выпрямитель. Включение диодов VD1–VD4, показанное на рис. 9, позволяет преобразовать отрицательные полуволны входного

34

напряжения в положительные, как это показано на рис. 10 (при этом ключ Кл на рис. 9 разомкнут). Таким образом, частота следования положитель-

ных полуволн удваивается, величина пульсаций на сопротивлении нагруз-

ки (Кл замкнут) при этом уменьшается в два раза, что приводит к умень-

шению в два раза числового коэффициента в формуле (12). Поэтому фор-

мула для определения kп в случае двухполупериодного выпрямителя при-

обретает вид:

На практике двухполупериодные выпрямители получили более ши-

рокое распространение, чем однополупериодные.

2.1.4. Стабилизирующие свойства диодов,

стабилитрон и его применение

Стабилизирующее свойство диодов проявляются у так называемых стабилитронов (диоды Зенера). Стабилитронами называются диоды, пред-

назначенные для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении пи-

тающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня на-

пряжения и т.д. Его условное графическое обозначение приведено на рис. 11.

Рис. 11. Условное графическое обозначение стабилитрона

Для стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя вольт– амперной характеристики в области обратных напряжений (рис. 12). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоян-

35

ным при изменении тока через диод в определенных пределах. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона такая же, как и у обычного диода.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

1. номинальное напряжение стабилизации Uст.ном – напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

Рис. 12. Вольт – амперная характеристика стабилитрона

2. минимальный ток стабилизации Iст.min – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

3. максимально допустимый ток стабилизации Iст.max – наибольший ток

стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допусти-

мые пределы, а пробой является обратимым;

4. дифференциальное сопротивление rст – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабили-

зации

участке ВАХ стабилитрона можно аппроксимировать линейной зависимо-

стью:

36

2.1.5. Параметрический стабилизатор напряжения на стабили-

троне

Работа параметрического стабилизатора, электрическая схема кото-

рого приведена на рис. 13, основана на использовании нелинейности об-

ратной ветви ВАХ стабилитрона.

Рис. 13. Электрическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

При изменении напряжения питания приращение напряжения на балластном резисторе RБ приближенно равно приращению входного на-

пряжения. При изменении тока нагрузки, например увеличении, ток через

стабилитрон уменьшается, а суммарный ток через резистор RБ остается

величиной неизменной. В обоих случаях выходное напряжение стабилиза-

тора изменяется незначительно.

Основным параметром всех стабилизаторов является коэффициент

стабилизации К :

37

Динамическое сопротивление стабилитрона rд обычно приведено в

справочнике. Иногда оно определяется по ВАХ с использованием форму-

лы:

При выборе стабилитрона рекомендуется, чтобы ток нагрузки схемы

стабилизатора IН не превышал 70 80% максимально допустимого тока через стабилитрон, указанного в справочнике.

В качестве примера, для схемы, представленной на рис. 13, произве-

дем расчет стабилизатора напряжения наиболее полным аналитическим методом. Пусть требуется рассчитать стабилизатор напряжения для кото-

рого требуется обеспечить UВХ =9 В и нестабильность этого напряжения

1% при нестабильности напряжения на входе 10% . Сопротивление нагруз-

ки RН примем равным 1кОм .

Выберем стабилитрон типа КС191А, имеющий UСТ 9,1В. На основа-

нии (16) запишем:

UВХ RБ rд ,UСТ rд

следовательно:

RБ UВХ UСТ 1 rд .

Для стабилитрона КС191А из справочника находим rд 30Ом. По-

этому RБ 0,10,01 1 30 270Ом.

Номинальное напряжение на входе стабилизатора определяется как сумма напряжений:

UВХ.НОМ UБ.СР UСТ ,

где UБ.СР IСТ.НОМ IН RБ ;

IСТ.НОМ IСТ.max IСТ.min 2;

IН UСТ RН .

38

По справочнику также находим: IСТ.min 3мА, IСТ.max 15мА. Отсюда

IСТ.НОМ 9мА. Учтем также, что для стабилитрона КС191А напряжение ста-

билизации UСТ 9,1В, тогда, производя вычисления, получим:

На этом, в принципе, расчет стабилизатора напряжения можно счи-

тать завершенным. Режим стабилизации у него должен сохраняться при изменении в некоторых пределах сопротивления нагрузки и входного на-

пряжения. Поэтому важно также определить эти пределы.

Определим пределы изменения сопротивления нагрузки, для которо-

го режим стабилизации сохраняется. Из справочника следует, что ток ста-

билизации для стабилитрона КС191А может изменяться от 3 до 15мА, т.е.

IСТ 6мА. Среднее значение тока нагрузки IН UСТ RН 9,1103 9,1мА.

Поэтому ток нагрузки может изменяться в пределах от IН min 9,1 6 3,1мА

до IН max 9,1 6 15,1мА, что соответствует следующим сопротивлениям на-

грузки:

Определим допустимые пределы изменения входного напряжения,

при которых сохраняется режим стабилизации. Минимальное (максималь-

ное) входное напряжение соответствуют случаю, когда через стабилитрон течет минимальный (максимальный) ток стабилизации. Следовательно:

На практике часто используется более практичный, упрощенный,

метод расчета стабилизатора напряжения на стабилитроне, который будет предложен при выполнении соответствующей лабораторной работы.

39

2.2. Лабораторная работа № 3

Полупроводниковый диод

Цель работы: Изучение основных свойств и характеристик полу-

проводниковых диодов. Знакомство с принципом их действия и законо-

мерностями ВАХ.

Выполнение лабораторной работы

Подготовка к работе.

1.Изучить соответствующую теоретическую часть данного раздела.

2.Используя выражение (10) рассчитать и построить прямую ветвь теоретической ВАХ диода, приняв I0 0,1mA; Т 25мВ. Как будет выглядеть прямая ветвь ВАХ реального кремниевого диода?

3.Используя прямую ветвь полученной ВАХ графически определить дифференциальное сопротивление данного полупроводникового диода.

Практическое выполнение работы.

1. Для измерения прямой ветви ВАХ диода на прямо смещенный ди-

од (рис. 14а) подайте постоянное напряжение Uпр, значения которого

Рис. 14. Схема для измерения прямой ветви (а) и обратной ветви (б) ВАХ диода

40