9.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ. ВЫПРЯМИТЕЛИ

Нелинейные свойства -перехода позволяют создать полупроводниковые диоды, которые широко используют в электротехнике. При изготовлении диодов -переход образуется за счет вплавления таблетки акцептора в пластинку германия или кремния -типа. Атомы акцепторной примеси проникают в пластинку и образуют дырочную электропроводность. Такие диоды называют сплавными.

Другой технологический прием заключается в том, что пластинку германия -типа, нагревают до высокой температуры и помещают в пары вещества, служащего акцептором. Атомы примеси проникают (диффундируют) в кристалл и создают область -типа.

Глубина этой области зависит от времени обработки. По методу изготовления такие диоды называют диффузионными.

На рис. 9.3, а показана конструкция плоскостного кремниевого диода средней мощности.

Кристалл кремния помещен в металлический корпус, который служит одним из выводов (катодом) полупроводникового диода. Второй вывод (анод) представляет собой проволоку, проходящую через стеклянный изолятор. При работе диода выделяется большое количество тепла. Для отвода этой тепловой энергии применяют специальные радиаторы.

Рис. 9.3. Полупроводниковый диод: а - конструкция полупроводникового диода средней мощности; б — вольт-амперная характеристика диода

Корпус диода крепится к радиатору винтом свайкой, которые видны на рис. 9.3, а.

На рис. 9.3, б показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Основное применение полупроводниковых диодов связано с выпрямлением переменного тока.

Рассмотрим схему простейшего выпрямителя, показанную на рис. 9.4. Полупроводниковый диод включен в цепь переменного тока последовательно с резисторной нагрузкой. Будем считать, что во время первой половины периода к диоду приложено прямое напряжение от источника. Ток в нагрузке повторяет по форме напряжение источника, т. е. представляет собой половину синусоиды.

Во второй половине периода к диоду приложено обратное напряжение.

Рис. 9.4. Схема однопо-лупериодного выпрямителя

Рис. 9.5. Графики выпрямленного напряжения: а — при однополупериодном выпрямлении; б — при двухполупериодном выпрямлении. Пунктиром показаны первые гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения

Сопротивление диода резко возрастает, и ток в цепи практически равен нулю. Говорят, что обратное напряжение запирает диод.

Такой выпрямитель является однополупериодным, он «работает» только половину периода, поэтому ток в цепи сильно пульсирует (рис. 9.5, а).

Среднее значение выпрямленного напряжения составляет только

т. е. примерно 30 % амплитудного значения.

Для того чтобы использовать обе полуволны переменного напряжения, применяют двухполупериодные выпрямители. На рис. 9.6, а изображена схема мостового двухполупериодного выпрямителя. Выпрямитель содержит четыре диода Рассмотрим принцип его работы. В положительный полупериод питающего напряжения открыты диоды а диоды заперты обратным напряжением. Направление тока в нагрузке показано стрелкой на рис. 9.6, б.

В отрицательный полупериод диоды меняются ролями. Диоды открыты и пропускают ток, а диоды заперты. Как видно из рис. 9.6, в, ток в нагрузке сохраняет прежнее направление.

В этой схеме выпрямляются обе полуволны переменного тока и паузы на графике тока отсутствуют (рис. 9.5, б).

Рис. 9.6. Двухполупериодное выпрямление: а — мостовая схема выпрямления; б — работа выпрямителя при положительной полуволне питающего напряжения; в — то же при отрицательной полуволне

Среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается в 2 раза:

Из этих двух примеров видно, что выпрямитель представляет собой нелинейное устройство. Форма электрических сигналов на выходе выпрямителя отличается от формы сигналов на входе.

В идеальном выпрямителе на выходе должно быть строго постоянное напряжение. К сожалению, выпрямители, которые мы рассмотрели, весьма далеки от идеальных.

В обоих случаях выпрямленное напряжение отличается от постоянного. Такое напряжение называют пульсирующим.

Можно представить, что пульсирующее напряжение является суммой постоянного напряжения и большого числа синусоид разной частоты. Эти синусоиды называют гармониками. Наибольшее значение имеет первая гармоника, она нарисована пунктирной линией на рис. 9.5, а и б.

В однополупериодном выпрямителе амплитуда первой гармоники составляет половину амплитуды выпрямленной синусоиды:

а ее частота совпадает с частотой сети.

В двухполуперйодном выпрямителе частота первой гармоники в 2 раза выше. В то же время ее амплитуда уменьшается:

Эти цифры позволяют определить кооэффициент пульсаций — отношение амплитуды первой гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций очень велик:

В двухполупериодном выпрямителе первая гармоника меньше, а среднее значение напряжения вдвое больше.

Поэтому несколько уменьшается:

Мы видим, что двухполупериодное выпрямление имеет явные преимущества, однако и в первом, и во втором случае пульсации напряжения остаются слишком большими.

Для того чтобы уменьшить пульсации и приблизить выпрямленное напряжение к постоянному, используют сглаживающие фильтры.

В простейшем случае фильтром служит конденсатор большой емкости, подключенный параллельно нагрузке (рис. 9.7).

Токи в параллельных ветвях распределяются обратно пропорционально сопротивлениям. Поэтому переменные составляющие тока распределяются так:

Чем больше емкость конденсатора и частота первой гармоники тем меньше емкостное сопротивление и больше переменный ток по сравнению с IR. Это означает, что цепь переменного тока замыкается через конденсатор, минуя нагрузку. Иначе говоря, конденсатор шунтирует нагрузку по переменному току.

Такой прием часто используют в электронике для разделения постоянного и переменного тока. При параллельном соединении резистора и конденсатора цепь постоянного тока замыкается через резистор, а переменного — через конденсатор.

Применяют также более сложные сглаживающие фильтры, состоящие из нескольких элементов (такие фильтры упоминались в гл. 2). На рис. 9.8, а изображен -фильтр. По своей структуре этот фильтр напоминает букву П. Его так и называют: П-образный фильтр. Он состоит из двух конденсаторов и катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником (дросселя).

Рис. 9.7. Простейший сглаживающий фильтр

Рис. 9.8. Более сложные сглаживающие фильтры: а — LC-фильтр; б — RС-фильтр

Дроссель фильтра — тяжелый и громоздкий аппарат. В современных малогабаритных устройствах стараются применять фильтры без индуктивностей, например -фильтры наподобие того, который изображен на рис. 9.8, б.

Сглаживающие фильтры позволяют уменьшить коэффициент пульсаций в сотни раз и довести его до 0,1 или даже