4.4. Нелинейный делитель напряжения

В отличие от резистивного линейного делителя напряжения, в нелинейном делителе вместо одного из резисторов включен нелинейный элемент – диод (рис. 4.20).

Для заданных Е,R и известной характеристики диода определим величину тока в цепи I и падение напряжения на диоде U. Особенность схемы заключается в наличии нелинейного элемента – диода, в котором зависимость тока от напряжения не подчиняется закону Ома, а описывается нелинейной ВАХ: I = f(U). Анализ схемы можно провести двумя методами.

Г рафоаналитический метод. Анализируемая схема содержит два пассивных элемента – диод и резистор, которые описываются следующими зависимостями: I = f(U), U_R=IR. Заменим второе соотношение на уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа, чтобы получить систему из двух уравнений с двумя неизвестными I,U: I = f(U), E = U+IR. Так как одно из уравнений нелинейное, то решать систему точным аналитическим методом не представляется возможным. Поэтому используется графический метод решения. Для этого находим точку пересечения нелинейной ВАХ с прямой, которая описывается вторым уравнением системы. Прямую строим по двум точкам, взятым на осях координат (рис. 4.21). Координаты точки (1), лежащей на оси напряжений, I = 0,  U = E, для точки (2), лежащей на оси токов, U = 0, I = E/R. Ненулевые координаты определяются подстановкой соответствующих нулевых токов и напряжений в уравнение прямой. Эти же значения тока и напряжения можно определить схемотехнически. Точка (1) соответствует режиму холостого хода, когда цепь разомкнута, т.е. I = 0. Точка (2) – режиму короткого замыкания, когда диод замкнут накоротко, так как U = 0. Тогда длины отрезков, отсекаемых прямой на осях координат, численно равны напряжению холостого хода и току короткого замыкания: U_х = E, I_кз = E/R, что отмечается соответствующими индексами. Построенная прямая называется нагрузочной прямой.

Нагрузочная прямая – это ВАХ линейного элемента (резистора нагрузки), построенная в системе координат нелинейного элемента (диода). Решением системы уравнений является точка А – рабочая точка. Ее координаты определяют ток в цепи I₀ и падение напряжения на диоде U₀. ЭДС источника Е перераспределяется между диодом и резистором, т.е. Е = U₀ + U_R.

Приближенный аналитический метод. В этом методе задаются средней величиной падения напряжения на диоде, например, U = 0,7 B – для кремниевого диода, U = 0,3 B – для германиевого. Основанием для такого приближения является большая крутизна ВАХ диодов особенно при повышенных токах. Поэтому ток в цепи определяется через падение напряжения на резисторе:

(4.14)

4.5. Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий. Работа диода основана на свойстве односторонней проводимости. Процесс преобразования приложенного к диоду переменного напряжения приведен на рис. 4.22.

В преобразованном законе изменения тока содержится постояннаясоставляющая

, (4.15)

так как циклическая частота ω = 2π/T. Поэтому приведенное выше преобразование называется выпрямлением.

Пример маркировки выпрямительного диода КД109А. Первый элемент (буква или цифра) определяет полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен диод (Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, А или 3 – арсенид галлия). Второй элемент (буква Д) – подкласс диода (выпрямительный, импульсный, универсальный). Третий элемент (цифра) определяет функциональное назначение диода (101-299 – выпрямительные, причем две последние цифры – это порядковый номер разработки). Шестой элемент (буква А) определяет разновидность по некоторым параметрам.

О сновные параметры выпрямительных диодов объединяются в такие группы:

1. Предельно эксплуатационные – это максимальные параметры, превышение которых приводит к выходу прибора из строя. Эти значения ограничивают возможный рабочий диапазон ВАХ как на прямой, так и на обратной ветви (рис. 4.23). Очевидно, что ограничению подлежат наиболее динамичные параметры: а) максимальное значение прямого тока I_{пр.макс} (или средний прямой ток, учитывая эффект выпрямления, см. рис. 4.22); б) максимальное обратное напряжение U_{обр. макс} (постоянное или импульсное). Превышение прямого тока приводит к недопустимому разогреву структуры, а увеличенное значение обратного напряжения выводит на участок пробоя ВАХ, что нарушает свойство односторонней проводимости. Обычно это напряжение берется с некоторым запасом U_{обр. макс} = (0,5 – 0,8)U_проб. По величине среднего выпрямленного тока различают диоды малой I_{пр.ср.макс}<0,3 A (параметр маркировки – 101-199) и средней мощности 0,3 А< I_{пр.ср.макс} <10 А (201-299). Диапазоны указанных предельных параметров составляют: по обратному напряжению – от десятков до тысяч вольт, по прямому току – от сотен миллиампер до десятков (сотен) ампер.  

Температурный диапазон работы диодов ограничен снизу t = -60⁰С, а сверху, в зависимости от материала, Ge – 85⁰С, Si – 125⁰С, GaAs – 150⁰С.

2. Статические электрические параметры определяют степень близости реального выпрямительного диода к идеальному. Идеальный ключевой элемент имеет ВАХ, представленную на рис. 4.15. Он характеризуется идеальным свойством односторонней проводимости.

Реальный диод имеет следующие (конечные) значения соответствующего тока и напряжения (см. рис. 4.23):

а) U_пр – прямое падение напряжения при заданном прямом токе (I_{пр.макс}), или среднее значение этого напряжения (десятые доли вольта);

б) I_обр – обратный ток при заданном обратном напряжении (U_{обр. макс}) (от долей микроампер до единиц миллиампер).

3. Динамические параметры характеризуют выпрямительный эффект диода при действии на него переменного напряжения. К ним относятся:

а) I_вп.ср – среднее за период значение выпрямленного тока;

б) I_обр.ср – среднее за период значение обратного тока;

г) f_гр – граничная частота, на которой выпрямленный ток уменьшается до заданного уровня.

Операция усреднения соответствует выражению (4.15). При повышении частоты выпрямленный ток уменьшается, так как увеличивается импульс обратного тока в результате проявления эффекта накопления носителей заряда.

Выпрямительные диоды имеют следующие особенности. Малое сопротивление в прямом направлении позволяет пропускать большие прямые токи. Высокие значения прямых токов требуют электрических переходов с большой площадью. Поэтому диоды имеют большие значения барьерных и диффузионных емкостей, т.е. работают на низких частотах. Частотный диапазон составляет от 50 Гц для сети переменного тока и достигает нескольких десятков килогерц в транзисторных преобразователях напряжения.

Диоды имеют сравнительно большие размеры и предусматривают конструктивные особенности для возможности рассеивания больших тепловых мощностей.

В основном эти диоды изготавливаются на основе кремния, меньшая часть – на основе германия, кроме того, выпускаются диоды из арсенида галлия. Используются электрические переходы в виде p-n-структур, металл-полупроводник. Выпрямляющие переходы с чередованием p-i-n-областей характеризуются повышенными значениями обратных напряжений.

Кремниевые диоды в сравнении с германиевыми обладают целым рядом преимуществ: они имеют большие значения прямых токов и обратных напряжений, меньшие величины обратных токов

I_обр(Ge) = I_обр(Si)10^1,5…2,

а также рассеивают большие мощности. К числу их недостатков следует отнести более высокие падения напряжений: U_пр(Si) = 0,7…1,2 В, U_пр(Ge) = 0,3…0,5 В. Это связано с большей величиной контактной разности потенциалов, а также более высоким сопротивлением базы из-за меньшей подвижности носителей заряда.

Диоды из арсенида галлия могут работать при больших температурах (до 250⁰С) и имеют лучшие частотные характеристики, но при этом более высокие падения напряжения (АД112А U_пр = 3 В, АД110А U_пр = 1,5 В) и небольшие допустимые обратные напряжения (U_{обр.макс} = 30 … 50 В).