Выпрямительный диод: принцип действия и основные параметры

Одним из электронных устройств, широко использующихся в различных схемах, является выпрямительный диод, с помощью которого переменный ток преобразуется в постоянный. Его конструкция создана в виде двухэлектродного прибора с односторонней электрической проводимостью. Выпрямление переменного тока происходит на переходах металл-полупроводник и полупроводник-металл. Точно такой же эффект достигается в электронно-дырочных переходах некоторых кристаллов – германия, кремния, селена. Эти кристаллы во многих случаях используются в качестве основных элементов приборов.

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.

Области применения

SS14 диод: характеристики

Выпрямительные элементы вентильного типа в сфере электротехнических и электронных преобразований применяются, как правило, для следующих целей:

Коммутация (размыкание и замыкание рабочих цепей);
Детектирование и ограничение сигналов различной формы и длительности;
Непосредственное выпрямление переменных напряжений, обеспечивающее получение стабильных уровней потенциалов.

Помимо этого, классический выпрямительный диод, изготовленный на основе кремниевых материалов, является основой для создания так называемых «мостовых» схем, включающих в свой состав сразу несколько элементов (фото ниже).

Мостовая схема

С появлением вентильных сборок из четырех диодов, включенных по встречно-параллельному принципу, существенно упростились сами выпрямительные модули с одновременным облегчением технологии их монтажа.

Благодаря таким замечательным характеристикам, как дешевизна, простота конструкции и надежность в эксплуатации выпрямительные диоды на основе полупроводниковых переходов широко применяются не только в электронных и электротехнических устройствах, но и в такой далекой от них области, как радиотехника.

Дополнительная информация. В радиотехнических устройствах эти элементы используются в высокочастотных режимах, обеспечивая выпрямление, коммутацию и ограничение принимаемых эфирных сигналов.

В заключительной части обзора отметим, что современные выпрямительные диоды представлены большим ассортиментом различных типов и моделей, отличающихся как своим конструктивным исполнением, так и заявленными рабочими характеристиками. Умение правильно обращаться с этими электронными элементами сводится к знанию алгоритма выбора того или иного образца диода, ориентируясь на приведенные в справочных пособиях данные.

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.

Стабилизация напряжения и Стабилитроны.

Выходное напряжение обычного, нестабилизированного источника постоянного электрического тока подвержено колебаниям, из- за изменений напряжения на его входе. Рисунок. При подключении различных потребителей потребляющих разный ток напряжение так же меняется – возрастает при меньшей нагрузке, падает при большей. Для нормальной работы электронных устройств необходимо это напряжение стабилизировать, сделав его величину независимой от вышеупомянутых факторов. Стабилитроны это полупроводниковые диоды, использующиеся для стабилизации напряжения в различных источниках питания. В отличии от обычных диодов работают при обратном включении, в режиме пробоя. Это не наносит им вреда, если не превышается предел рассеивающей мощности, величина которого является производной, от падения напряжения на переходе и тока через него протекающего.

Итак, важнейшие параметры стабилитрона — это напряжение стабилизации и максимальный рабочий ток. Рабочий ток стабилитрона, ограничивается с помощью последовательно включенного резистора.

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.

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

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.

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

Устройство и конструктивные особенности

Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.

При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.

Конструкция (1), внешний вид (2) и графическое отображение выпрямительного диода(3)

Обозначения:

А – вывод катода.
В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
С – кристалл n-типа.
D – кристалл р-типа.
E – провод ведущий к выводу анода.
F – изолятор.
G – корпус.
H – вывод анода.

Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Коэффициент выпрямления

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

Он отражает качество выпрямителя.

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.

Диоды низкочастотные (таблеточное исполнение)

Диоды Д133-400, Д133-500, Д133-800, Д143-630, Д143-800, Д143-1000, Д253-1600 предназначены для применения в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц в электротехнических устройствах общего назначения. Диоды устойчивы к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Диоды низкочастотные лавинные предназначены для применения в устройствах общего назначения частотой до 500 Гц. Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2, многократных ударов длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Диоды ДЛ 161-200, ДЛ 171-320 имеют штыревое исполнение. Анодом диодов является медное основание, катодом — гибкий вывод. Диоды ДЛ 123-320, ДЛ133-500 имеют таблеточное исполнение. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

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.

2.4. ВАХ идеального p-n-перехода и отличия ВАХ реального диода

Рассмотрим ВАХ идеального p—n—

перехода (рис. 2.6).

Как известно, прямой токp—n-перехода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей. Этим и обусловливаются вентильные свойства р-п-перехода, а следовательно, и диода.

Проведенному теоретическому анализу ВАХ диода соответствует ее запись в аналитической форме:

, (2.6)

где – ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда; – тепловой потенциал.

При U

= 0 согласно соотношению выражению (2.6) = 0. В случае приложения прямого напряжения (U=Ua>

0) в выражении (2.6) единицей можно пренебречь и зависимость будет иметь экспоненциальный характер. В случае обратного напряжения
(U
=
Ub<
0) можно не учитывать достаточно малую величину и тогда:
Ia=Ib=Is.
В проведенном анализе, позволяющем главным образом объяснить принцип действия полупроводникового диода, не учитывались некоторые факторы, отражающиеся на его реальной ВАХ.

На прямую ветвь ВАХ диода оказывает влияние объемное сопротивление слоев р-п-

структуры (особенно при больших токах), увеличивающее падение напряжения () на диоде. В кремниевых диодах это влияние более значительно, чем в германиевых, так как из-за меньшей подвижности носителей заряда удельное сопротивление кремния выше. С учетом падения напряжения в слоях в кремниевых диодах при протекании прямого тока = 0,8 – 1,2 В, а в германиевых = 0,3 – 0,6В.

На обратную ветвь ВАХ диода оказывают влияние ток утечки через поверхность p—n

-перехода и генерация носителей заряда, которая является причиной возможного пробояp—n

-перехода. Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь ВАХ диода принимает вид, показанный на рис. 2.7.

Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением . Он создается различными загрязнениями на внешней поверхности p—n

-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимостьp—n

-перехода и обратный ток через диод. Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка
1 – 2
на характеристике диода (рис. 2.7).

Влияние генерации носителей заряда в p—n

-переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляется вначале в нарушении линейной зависимости изменения обратного тока от напряжения (участок2 – 3

), а затем в резком возрастании обратного тока (участок
3 – 5),
характеризующем пробой
p—n
-перехода.

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.

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.

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.

Выпрямление переменного тока с помощью выпрямительных диодов

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 = Етsin 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

(2.3)

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

Uпр max = Em – URmax = Em – ImaxRн<m

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1–2 В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е = 200 В и Em = E = 280 В. Если Uпр max = 2 В, то URmax= 278 В. Если бы напряжение источника (например, 200 В) полностью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе Rннет падения напряжения. Но это возможно только при Rн=0. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор даёт синусоидальную ЭДС 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 UR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и UR = 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.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Рассмотрим подробнее выпрямленное напряжение (все, что будет показано для него, относится и к выпрямленному току). Из графика на рисунке 2.20, б видно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение Uср. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением напряжения Umax среднее значение за полупериод

(2.4)

Uср = 2Umax/p = 0,636 Umax.

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше:

Uср = Umax/p = 0,318 Umax. (2.5)

Приближенно Uср считают равным 30 % максимального значения. Это приближение допустимо, так как действительная форма импульсов всегда несколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

Umax » Em и Uср» 0,3 Em. (2.6)

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 (рисунок 2.21, а).

Рисунок 2.21 — Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения

Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительность этих полуволн неодинакова, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

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 рисунке 2.21, б изображена переменная составляющая. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью, препятствующие прохождению переменной составляющей в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет первую гармонику пульсаций, то более высокие гармоники подавляются еще лучше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то практически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники, являющейся главным «врагом».

Um1= 0,5Umax = 1,57 Uср. (2.7)В простейшей схеме выпрямителя амплитуда первой гармоники пульсаций Um1очень велика – больше полезной постоянной составляющей:

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейший метод сглаживания пульсаций – применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки Rн (рисунок 2.19, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

1/(wС)<н. (2.8)

В течение некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Em. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждой следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того, конденсатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения. При отсутствии конденсатора Uср »0,3 Еm, а при наличии конденсатора достаточно большой емкости Uср приближается к Ети может быть равным (0,80 ¸ 0,95) Ети даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и Rн тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе Ucpк Ет. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. Rн = ¥), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Еm.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рисунок 2.22, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и напряжения на конденсаторе иС, равного напряжению на нагрузке иR.

Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду, минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде равно разности ЭДС источника и напряжения конденсатора:

Uд = е – uC (2.9)

Так как значение uCблизко к Ет, то напряжение идстановится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает ис (вблизи значения Ет). В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор. В течение остальной части положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение uд – обратное, ток отсутствует и конденсатор разряжается на нагрузку Rн.

Рисунок 2.22 – Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда е=–Ет. Поскольку напряжение конденсатора также близко к Ет, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2Ет. Если цепь нагрузки разомкнута (холостой ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Ет. Таким образом, наличие конденсатора удваивает обратное напряжение, поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение.

Если требуется уменьшить пульсации, а сопротивление Rнмало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т. е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится включать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с большим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасно короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимо большим. Происходит тепловое разрушение диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от значения тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямителей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными. При выпрямлении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае потеря напряжения около 1 В на самом диоде не имеет существенного значения. Например, если при выпрямлении напряжения 100 В на диоде теряется 1 В, то КПД получается около 99 % (с учетом других потерь он будет, конечно, несколько ниже).

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными более экономичны и выделяют при работе меньше теплоты, что очень важно для других элементов, расположенных вблизи. Кроме того, полупроводниковые диоды имеют очень большой срок службы. Но их недостатком является сравнительно невысокое предельное обратное напряжение – несколько сотен вольт, а у высоковольтных вакуумных диодов оно может составлять десятки киловольт.

Диоды применяют в любых выпрямительных схемах. Если сглаживающий фильтр начинается с конденсатора большой емкости, то при включении переменного напряжения на конденсатор проходит импульс тока, часто превышающий допустимое значение прямого тока диода. Для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением в единицы или десятки ом.

В диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока (рисунок 2.23). Возникают они по двум причинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость n-p-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание неосновных носителей, накопившихся в n- и р-областях. Эти носители во время прохождения прямого тока инжектируют через переход и, не успев рекомбинировать или уйти, накапливаются в n- и р-областях. Практически главную роль играет больший заряд, накопившийся в базовой области.

Рисунок 2.23 – Импульсы обратного тока диода

Например, если концентрация электронов в n-области значительно больше, чем концентрация дырок в р-области, то n-область является эмиттером, а р-область – базой. Инжекция электронов из n-области в р-область преобладает над инжекцией дырок в обратном направлении. Поэтому электроны накапливаются главным образом в р-области. При обратном напряжении этот заряд рассасывается, т. е. электроны начинают двигаться в обратную сторону – из р-области в n-область. Возникает импульс обратного тока. Чем больше прямой ток, тем сильнее поток инжектированных носителей (электронов в данном примере) и тем больше образованный ими заряд, а следовательно, больше импульс обратного тока. Когда это скопление носителей рассосется и практически окончится заряд барьерной емкости, то останется лишь ничтожно малый обратный ток, который можно не принимать во внимание.

С повышением частоты импульс обратного тока увеличивается. Это объясняется тем, что при более высокой частоте обратное напряжение возрастает быстрее. Следовательно, большим током, т. е. быстрее, происходит заряд барьерной емкости. Иначе говоря, емкостное сопротивление с повышением частоты уменьшается и обратный ток соответственно увеличивается. Рассасывание зарядов, образованных инжектированными носителями, также происходит быстрее, и от этого импульс обратного тока также возрастает.

На низкой частоте импульс обратного тока весьма мал и его длительность во много раз меньше полупериода. А на некоторой высокой частоте импульс обратного тока может иметь примерно такую же амплитуду, как импульс прямого тока, и длится он в течение всего полупериода. Если площадь импульсов прямого и обратного тока будет одинакова, то постоянная составляющая (среднее значение) тока станет равной нулю, т. е. выпрямление прекратится. Практически диоды рекомендуется применять для выпрямления только до такой предельной высокой частоты, при которой постоянная составляющая выпрямленного тока снижается не более чем на 30 % по сравнению с ее значением на низкой частоте.

При повышении температуры сопротивления Rnpи Ro6p диодов уменьшаются, но это обычно мало влияет на выпрямление. Дело в том, что прямой ток определяется сопротивлением нагрузки Rн, которое обычно во много раз больше Rnp, a Ro6pдаже у нагретого диода еще достаточно велико по сравнению с Rн, и поэтому обратный ток остается малым по сравнению с прямым.

Работа диодов в низкочастотных выпрямляющих устройствах характеризуется несколькими параметрами. К ним относятся средние за период значения прямого тока Iпр ср и соответствующего ему падения напряжения на диоде Uпр ср, обратного напряжения Uобр. ср и соответствующего ему обратного тока Iобр ср. Ток Iпр ср часто называют выпрямленным током, и весьма важными являются максимальные допустимые (предельные) значения обратного напряжения Uo6p. max, прямого (или выпрямленного) тока Iпр max и температуры корпуса tкор max, а также максимальная рабочая частота fmax.