Эквивалентные схемы диодов

В расчетах радиотехнических схем диод приходится представлять в виде эквивалентной схемы, состоящей из элементарных элементов R, C, L, а при необходимости – источников тока и напряжения. С целью упрощения расчетов модель должна содержать только минимально необходимое число элементов, отражающих только главные физические процессы в диоде.

В частности, при работе на постоянных токах и НЧ эквивалентная схема должна учитывать сопротивление запирающего слоя p-n перехода R_П, которая зависит от смещения и сопротивления базы r_б (рис. 7).

Рис. 7

В области средних и высоких частот, а также в импульсном режиме дополнительно необходимо учитывать зависимость емкости диода от напряжения смещения (рис. 8).

Рис. 8

Работа диодов с нагрузкой

В практических схемах в цепь диодов включается нагрузка – резистор R_Н. Режим работы диода с нагрузкой называется рабочим режимом.

Рис. 9

Расчеты рабочего режима заключается в определении тока I в цепи и напряжения на диоде U_Д по известным Е, R_Н и ВАХ диода. Так как не удается получить явное решение уравнения Кирхгофа E = IR_Н + U_Д, где I = f(U_Д), расчет выполняется графически. Для R_Н соблюдается закон Ома: (1)

с другой стороны из ВАХ диода следует I = f(U_Д). (2)

Система из двух уравнений (1) и (2) решается графически (рис. 9). В координатах I-U изображает ВАХ диода и график функции (1) (при I = 0; U = E – точка A; при U_Д = 0; I = E/R_Н точка Б).

Уравнение (1) определяет линию нагрузки диода. Координаты точки пересечения графиков I_*, U_* дают искомое решение задачи расчета рабочего режима, т.е. ток в цепи I = I_* и напряжение на диоде U_Д = U_*.

Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления напряжения переменного тока.

Выпрямительные диоды используют в качестве вентилей – элементов с односторонней проводимостью. Основное их применение выпрямление токов с частотой до единиц кГц.

Простейшая схема однополупериодного выпрямления и процессы формирования выходного напряжения показаны на рис. 10.

Рис. 10

Во время положительной полуволны напряжения e(t) через нагрузку R_Н протекает импульс прямого тока с амплитудой I_m.

При воздействии отрицательной полуволны напряжения e(t) через диод протекает малый обратный ток I_обр.

Таким образом, через нагрузку протекает пульсирующий ток, в виде импульсов, длящихся пол периода и разделенных промежутком также в половину периода.

В более сложных двухполупериодных выпрямителях энергия источника e(t) используется более рационально. Схема такого выпрямителя представлена на рис. 11.

Рис. 11

В результате через R_Н при воздействии каждого полупериода напряжения e(t) протекает импульс тока одной полярности. Это позволяет достичь большего значения среднего выпрямленного тока I_СР (рис. 12).

Рис. 12

В качестве параметров выпрямительных диодов в справочниках приводятся параметры U_ПР, при фиксированном токе I_ПР, а также предельные параметры I_прmax, U_обрmax.

Амплитуда выпрямляемого напряжения U_m ограничена U_обрmax. При необходимости выпрямления более высоких напряжений применяют последовательное соединение диодов (рис. 13).

Рис. 13

Однако, вследствие разброса обратного сопротивления диодов, падение напряжения на диодах распределяется не равномерно, что может привести к последовательному пробою всех диодов цепи. Для выравнивания напряжений диоды шунтируют одинаковыми сопротивлениями R_Ш < R_обрmin. На практике R_Ш » 100кОм.

Для повышения максимального прямого тока иногда применяют параллельное соединение диодов (рис. 14). При этом также вследствие разброса характеристик наблюдается неравномерное распределение токов.

Рис. 14

Для выравнивания токов последовательно с диодами подключают резисторы R сопротивление не более 1 Ом. Добавочные сопротивления определяются подбором.

Импульсные диоды

Полупроводниковые диоды широко используются в качестве ключа – устройства, имеющего два состояния: включенное и выключенное. Время смены состояния диода должно быть минимальным, т.к. оно определяет быстродействие диода. Диоды, предназначенные для работы в режиме ключа, называются импульсными.

Рассмотрим работу диода при воздействии прямоугольного импульса напряжения (рис. 15).

Рис. 15

При прямом смещении p-n перехода происходит инжекция неосновных носителей заряда из эмиттера (n⁺) в базу (p) диода. Поэтому концентрация неосновных носителей n_p превышает равновесную концентрацию n_p0. При переключении смещения с прямого на обратное неосновные носители не могут рекомбинировать мгновенно, начинается обратное движение носителей: инжектированные носители возвращаются к переходу, создавая при этом ток I_обр, который может значительно превосходить ток насыщения I_о. С течением времени концентрация неосновных носителей стремится к равновесной из-за возвращения их через переход и рекомбинации. По мере рассасывания неосновных носителей ток стремится I₀ и достигает его значения в течение времени t_восс, называемого временем восстановления обратного сопротивления диода. За это время из тела базы диода выводится заряд неосновных носителей, который называется зарядом переключения.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока – заряд барьерной емкости перехода.

При подаче на диод импульса тока, напряжение на диоде устанавливается через время t_уст, которое называется временем установления прямого сопротивления диода (рис. 16).

Рис. 16

Снижение напряжения на диоде обусловлено процессом накопления неосновных носителей в базе диода, что приводит к постепенному снижению сопротивления диода при прямом смещении. После окончания импульса тока напряжение на диоде спадает по мере рассасывания неосновных носителей и разряда диффузионной емкости диода.

Таким образом, быстродействие полупроводниковых приборов определяют процессы накопления и рассасывания неосновных носителей, а также процессы перезаряда емкостей перехода. Увеличение быстродействия или снижение t_уст и t_восс можно достичь снижая t_p и t_n, а также C_б и C_Д. Длительность переключения зависит также от соотношения I_пр/I_обр, т.к. чем больше I_пр, тем больше скапливается неосновных носителей в базе. Ограничивая прямой ток через диод можно существенно сократить время переключения диода.

Импульсные диоды характеризуются величинами прямого и обратного импульсных токов, которые значительно превышают непрерывные токи.

Быстродействие диода как ключа характеризуют t_уст и t_восс.

Точечные диоды, обладая малой емкостью перехода, до 5 пф.