Пассивные элементы схемы замещения

Пассивные элементы схемы замещения

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость.

В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле:

(1.1)

где l - длина проводника;

S - сечение;

r - удельное сопротивление.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью.

Сопротивление измеряется в Омах (Ом), а проводимость - в сименсах (См).

Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется по формуле

где P - потребляемая мощность;

I - ток.

Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:

Индуктивностью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи пренебрегают.

Индуктивность катушки, измеряемая в генри [Гн], определяется по формуле:

где W - число витков катушки;

Ф - магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.

Емкостью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи пренебрегают.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:

Где q - заряд на обкладках конденсатора;

Uс - напряжение на конденсаторе.

На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения.

Последовательное соединение элементов электрических цепей

На рис. 2.1 изображена электрическая цепь с последовательно соединенными сопротивлениями.

Рис. 2.1

Напряжение на зажимах источника ЭДС равно величине электродвижущей силы. Поэтому часто источник на схеме не изображают.

Падения напряжений на сопротивлениях определяются по формулам

В соответствии со вторым законом Кирхгофа, напряжение на входе электрической цепи равно сумме падений напряжений на сопротивлениях цепи.

где - эквивалентное сопротивление.

Эквивалентное сопротивление электрической цепи, состоящей из n последовательно включенных элементов, равно сумме сопротивлений этих элементов.

Метод контурных токов

Метод непосредственного применения законов Кирхгофа громоздок. Имеется возможность уменьшить количество совместно решаемых уравнений системы. Число уравнений, составленных по методу контурных токов, равно количеству уравнений, составляемых по второму закону Кирхгофа.

Метод контурных токов заключается в том, что вместо токов в ветвях определяются, на основании второго закона Кирхгофа, так называемые контурные токи, замыкающиеся в контурах.

На рис. 4.2 в качестве примера изображена двухконтурная схема, в которой I₁₁ и I₂₂ - контурные токи.

Рис. 4.2

Токи в сопротивлениях R₁ и R₂ равны соответствующим контурным токам. Ток в сопротивлении R₃, являющийся общим для обоих контуров, равен разности контурных токов I₁₁ и I₂₂, так как эти токи направлены в ветви с R₃ встречно.

Порядок расчета

Выбираются независимые контуры, и задаются произвольные направления контурных токов.

В нашем случае эти токи направлены по часовой стрелке. Направление обхода контура совпадает с направлением контурных токов. Уравнения для этих контуров имеют следующий вид:

Перегруппируем слагаемые в уравнениях

(4.4)

(4.5)

Суммарное сопротивление данного контура называется собственным сопротивлением контура.

Собственные сопротивления контуров схемы

, .

Сопротивление R₃, принадлежащее одновременно двум контурам, называется общим сопротивлением этих контуров.

,

где R₁₂ - общее сопротивление между первым и вторым контурами;

R₂₁ - общее сопротивление между вторым и первым контурами.

E₁₁ = E₁ и E₂₂ = E₂ - контурные ЭДС.

В общем виде уравнения (4.4) и (4.5) записываются следующим образом:

,

.

Собственные сопротивления всегда имеют знак "плюс".

Общее сопротивление имеет знак "минус", если в данном сопротивлении контурные токи направлены встречно друг другу, и знак "плюс", если контурные токи в общем сопротивлении совпадают по направлению.

Решая уравнения (4.4) и (4.5) совместно, определим контурные токи I₁₁ и I₂₂, затем от контурных токов переходим к токам в ветвях.

Ветви схемы, по которым протекает один контурный ток, называются внешними, а ветви, по которым протекают несколько контурных токов, называются общими. Ток во внешней ветви совпадает по величине и по направлению c контурным. Ток в общей ветви равен алгебраической сумме контурных токов, протекающих в этой ветви.

В схеме на рис. 4.2

.

Рекомендации

1. Контуры выбирают произвольно, но целесообразно выбрать контуры таким образом, чтобы их внутренняя область не пересекалась ни с одной ветвью, принадлежащей другим контурам.

2. Контурные токи желательно направлять одинаково (по часовой стрелке или против).

3. Если нужно определить ток в одной ветви сложной схемы, необходимо сделать его контурным.

4. Если в схеме имеется ветвь с известным контурным током, этот ток следует сделать контурным, благодаря чему количество уравнений становится на единицу меньше.

Метод узловых потенциалов

Метод узловых потенциалов позволяет составить систему уравнений, по которой можно определить потенциалы всех узлов схемы. По известным разностям узловых потенциалов можно определить токи во всех ветвях. В схеме на рисунке 4.3 имеется четыре узла. Потенциал любой точки схемы можно принять равным нулю. Тогда у нас останутся неизвестными три потенциала. Узел, величину потенциала которого выбирают произвольно, называют базисным. Укажем в схеме произвольно направления токов. Примем для схемы φ₄ = 0.

Запишем уравнение по первому закону Кирхгофа для узла 1.

Рис. 4.3

(4.6)

В соответствии с законами Ома для активной и пассивной ветви

,

где - проводимость первой ветви.

,

где - проводимость второй ветви.

Подставим выражения токов в уравнение (4.6).

(4.7)

где g₁₁ = g₁ + g₂ - собственная проводимость узла 1.

Собственной проводимостью узла называется сумма проводимостей ветвей, сходящихся в данном узле.

g₁₂ = g₂ - общая проводимость между узлами 1 и 2.

Общей проводимостью называют проводимость ветви, соединяющей узлы 1 и 2.

- сумма токов источников, находящихся в ветвях, сходящихся в узле 1.

Если ток источника направлен к узлу, величина его записывается в правую часть уравнения со знаком "плюс", если от узла - со знаком "минус".

По аналогии запишем для узла 2:

(4.8)

для узла 3:

(4.9)

Решив совместно уравнения (4.7), (4.8), (4.9), определим неизвестные потенциалы φ₁, φ₂, φ₃, а затем по закону Ома для активной или пассивной ветви найдем токи.

Если число узлов схемы - n, количество уравнений по методу узловых потенциалов - (n - 1).

Замечание.

Если в какой-либо ветви содержится идеальный источник ЭДС, необходимо один из двух узлов, между которыми включена эта ветвь, выбрать в качестве базисного, тогда потенциал другого узла окажется известным и равным величине ЭДС. Количество составляемых узловых уравнений становится на одно меньше.

Метод двух узлов

Схема на рис. 4.4 имеет два узла. Потенциал точки 2 примем равным нулю φ₂ = 0. Составим узловое уравнение для узла 1.

,

,

Рис. 4.4

где , , - проводимости ветвей.

В общем виде:

.

В знаменателе формулы - сумма проводимостей параллельно включенных ветвей. В числителе - алгебраическая сумма произведений ЭДС источников на проводимости ветвей, в которые эти ЭДС включены. ЭДС в формуле записывается со знаком "плюс", если она направлена к узлу 1, и со знаком "минус", если направлена от узла 1.

После вычисления величины потенциала φ₁ находим токи в ветвях, используя закон Ома для активной и пассивной ветви.

Баланс мощностей

Для схемы на рис. 6.19 запишем уравнение по второму закону Кирхгофа. Умножим левую и правую части уравнения на сопряженный комплекс тока

где - результирующее реактивное сопротивление;

I²- квадрат модуля тока.

где - полная комплексная, активная и реактивная мощности источника питания.

где - активная и реактивная мощности, потребляемые элементами схемы.

Получим уравнение

. (6.24)

Рис. 6.19

Два комплексных числа равны, если равны по отдельности их вещественные и мнимые части, следовательно, уравнение (6.24) распадается на два:

. (6.25)

Полученные равенства выражают законы сохранения активных и реактивных мощностей.

Трёхфазные цепи

7.1. Основные определения

Трехфазная цепь является совокупностью трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120^o, создаваемые общим источником. Участок трехфазной системы, по которому протекает одинаковый ток, называется фазой.

Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, соединительных проводов и приемников или нагрузки, которые могут быть однофазными или трехфазными.

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину. На статоре генератора размещена обмотка, состоящая из трех частей или фаз, пространственно смещенных относительно друг друга на 120^o. В фазах генератора индуктируется симметричная трехфазная система ЭДС, в которой электродвижущие силы одинаковы по амплитуде и различаются по фазе на 120^o. Запишем мгновенные значения и комплексы действующих значений ЭДС.

Сумма электродвижущих сил симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна нулю.

Соответственно

На схемах трехфазных цепей начала фаз обозначают первыми буквами латинского алфавита ( А, В, С ), а концы - последними буквами ( X, Y, Z ). Направления ЭДС указывают от конца фазы обмотки генератора к ее началу.

Каждая фаза нагрузки соединяется с фазой генератора двумя проводами: прямым и обратным. Получается несвязанная трехфазная система, в которой имеется шесть соединительных проводов. Чтобы уменьшить количество соединительных проводов, используют трехфазные цепи, соединенные звездой или треугольником.

7.2. Соединение в звезду. Схема, определения

Если концы всех фаз генератора соединить в общий узел, а начала фаз соединить с нагрузкой, образующей трехлучевую звезду сопротивлений, получится трехфазная цепь, соединенная звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным. Трехфазная цепь, соединенная звездой, изображена на рис. 7. 1.

Рис. 7.1

Провода, идущие от источника к нагрузке называют линейными проводами, провод, соединяющий нейтральные точки источника N_и приемника N' называют нейтральным (нулевым) проводом.

Напряжения между началами фаз или между линейными проводами называют линейными напряжениями. Напряжения между началом и концом фазы или между линейным и нейтральным проводами называются фазными напряжениями.

Токи в фазах приемника или источника называют фазными токами, токи в линейных проводах - линейными токами. Так как линейные провода соединены последовательно с фазами источника и приемника, линейные токи при соединении звездой являются одновременно фазными токами.

I_л = I_ф .

Z_N - сопротивление нейтрального провода.

Линейные напряжения равны геометрическим разностям соответствующих фазных напряжений

(7.1)

На рис. 7.2 изображена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений симметричного источника.

Рис. 7.2

Из векторной диаграммы видно, что

При симметричной системе ЭДС источника линейное напряжение больше фазного в √3 раз.

U_л = √3 U_ф

7.3. Соединение в треугольник. Схема, определения

Если конец каждой фазы обмотки генератора соединить с началом следующей фазы, образуется соединение в треугольник. К точкам соединений обмоток подключают три линейных провода, ведущие к нагрузке.

На рис. 7.3 изображена трехфазная цепь, соединенная треугольником. Как видно из рис. 7.3, в трехфазной цепи, соединенной треугольником, фазные и линейные напряжения одинаковы.

U_л = U_ф

I_A, I_B, I_C - линейные токи;

I_ab, I_bc, I_ca- фазные токи.

Линейные и фазные токи нагрузки связаны между собой первым законом Кирхгофа для узлов а, b, с.

Рис. 7.3

Линейный ток равен геометрической разности соответствующих фазных токов.

На рис. 7.4 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи, соединенной треугольником при симметричной нагрузке. Нагрузка является симметричной, если сопротивления фаз одинаковы. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений, так как нагрузка состоит из активных сопротивлений.

Рис. 7.4

Из векторной диаграммы видно, что

,

I_л = √3 I_ф при симметричной нагрузке.

Трехфазные цепи, соединенные звездой, получили большее распространение, чем трехфазные цепи, соединенные треугольником. Это объясняется тем, что, во-первых, в цепи, соединенной звездой, можно получить два напряжения: линейное и фазное. Во-вторых, если фазы обмотки электрической машины, соединенной треугольником, находятся в неодинаковых условиях, в обмотке появляются дополнительные токи, нагружающие ее. Такие токи отсутствуют в фазах электрической машины, соединенных по схеме "звезда". Поэтому на практике избегают соединять обмотки трехфазных электрических машин в треугольник.

Мощность в трехфазных цепях

Трехфазная цепь является обычной цепью синусоидального тока с несколькими источниками.

Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей фаз

(7.5)

Формула (7.5) используется для расчета активной мощности в трехфазной цепи при несимметричной нагрузке.

При симметричной нагрузке:

При соединении в треугольник симметричной нагрузки

При соединении в звезду

.

В обоих случаях .

Электроника.

Введение.

Электроника – раздел науки и техники, который изучает электронные, ионные и полупроводниковые устройства.

Электронные устройства – это устройства, в которых основными носителями тока являются электроны. В ионных устройствах – ионы, а в полупроводниковых – электроны и дырки.

Полупроводниками являются Si, Ge (элементы четвертой группы таблицы Менделеева, а это значит, что на валентном слое атомов этих элементов находится 4 электрона).

В проводниках проводимость электронная и проводники имеют металлическую связь (кристаллическая решетка). В связи с этим увеличении температуры, наличие примесей ухудшает проводимость.

В полупроводниках химические связи ковалентные, поэтому увеличение температуры, освещенности и наличие примесей увеличивают проводимость.

В основе полупроводниковых приборов лежит p-n переход. В некоторых он один, в других 2,3.

Условные обзозначения различных полупроводниковых приборов приведены на рисунке 10.0.

Рис. 10.0. - Условные графические обозначения полупроводниковых приборов:

1 — выпрямительный и импульсный диод; 2 —стабилитрон и стабистор; 3 — симметричный стабилитрон; 4 — варикап; 5 — излучающий диод; 6 — биполярный транзистор р-n-р-типа; 7 — биполярный транзистор n-р-n-типа; 8 — полевой транзистор с управляющим р-n-переходом с n-каналом; 9 — полевой транзистор с управляющим р-n-переходом с р-каналом; 10 — МДП-транзистор со встроенным n-каналом; 11 — полевой транзистор со встроенным р-каналом; 12 — МДП-транзистор с индуцированным n-каналом; 13 — МДП-транзистор с индуцированным р-каналом;14 — динистор; 15, 16 — тринистор с управлением соответственно по катоду и аноду, УЭ — управляющий электрод

Электропроводность n-типа.

На электропроводность полупроводников сильное влияние оказывают примеси. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы добавить в виде примеси материал из пятой группы (например, фосфор Р), то четыре валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с четырьмя валентными электронами полупроводника, а пятый валентный электрон примеси такой связи не образует, т.е. появляются носители электрического заряда - свободные электроны, которые могут свободно перемещаться по объему полупроводника.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носителями электрического заряда отрицательного знака, т.е. свободными электронами, носит название электропроводности n-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность n-типа, называется полупроводником n-типа (Рис. 10.1, б). Примесь, которая обусловливает электропроводность n-типа, называется донорной (отдающей). При образовании свободного электрона атом примеси приобретает положительный заряд и становится неподвижным ионом.

Электропроводность р-типа.

Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы добавить в виде примеси материал из третьей группы (например, индий Р), то три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя валентными электронами полупроводника. Недостающий валентный электрон для образования ковалентной связи легко притягивается атомом примеси от одного из соседних атомов полупроводника. На месте разорванной ковалентной связи образуется носитель электрического заряда положительного знака (“дырка”), а атом примеси при этом приобретает отрицательный заряд и становится неподвижным ионом.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носителями электрического заряда положительного знака, т.е. свободными дырками, носит название электропроводности р-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность р-типа, называется полупроводником р-типа (Рис. 17.1, в). Примесь, которая обусловливает электропроводность р-типа, называется акцепторной (принимающей).

Носители электрического заряда, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобладают над носителями заряда, получаемыми в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике носят название основных носителей электрического заряда. В свою очередь, электроны в р-полупроводнике и дырки в п-полупроводнике носят название неосновных носителей электрического заряда.

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 10.2).

К р- и n-области кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях).

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией — базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки p_p, а базой n-область (основные носители заряда — электроны n_n), то выполняется условие p_p≥n_n.

p_p — обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно p_n.

Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из n- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для р-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис. 10.2). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов n_n в базе значительно меньше концентрации дырок p_p в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера, как это показано на рис. 10.2. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность E_зар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.

Рис. 10.2. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения

Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряд недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер.

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 10.2, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности E_зар объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией n_n в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что p_p≥n_n.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью E_зар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: n_p- из р- в n-область и p_n- из n- в р-область, которые и образуют обратный ток p-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током (I₀).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением

(10.1)

где U_Д - напряжение на р-n-переходе;

k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона. Выражение (10.1) соответствует ВАХ идеального р-n-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.

При определенном значении напряжения U_обр начинается лавинообразный процесс нарастания тока I_обр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 10.3). Если в этот момент ток не ограничить, электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока I_обр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока I_обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 10.3. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), °K^-1.

Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 ̊К при некотором значении прямого тока.

Рис. 10.3. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Сопротивления и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как тангенс угла наклона касательной в рассматриваемой рабочей точке Е к оси абсцисс (см. рис. 10.3):

(10.2)

где ∆U и ∆I- конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; mI и mU - масштабы осей тока и напряжения.

Часто представляют интерес не приращения напряжения и тока в окрестности некоторой заданной точки, а сами напряжение и ток в данном элементе. При этом совершенно безразлично, какова характеристика диода вблизи выбранной рабочей точки. В этом случае удобно пользоваться статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения на элементе U_E к протекающему через него току I_E (рис. 10.3). Как видно из рисунка, это сопротивление равно тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R_ст, может быть меньше или больше значения R_диф или равно ему. Однако R_ст всегда положительно, в то время как R_диф может быть и отрицательным. У элементов, имеющих линейные ВАХ, статическое и дифференциальное сопротивления равны.

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С_Д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость С_диф, зарядную (барьерную) емкость С_зар и емкость С_к корпуса диода:

Диффузионная емкость возникает при прямом напряжении диода в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов при изменении прямого напряжения. Зарядная емкость возникает при обратном напряжении и обусловлена изменением объемного заряда.

Значение емкости С_Д определяется режимом работы диода. При прямом напряжении

при обратном напряжении

Классификация диодов представлена в табл. 10.1.

Таблица 10.1 Классификация диодов

Признак классификации	Наименование диода
Площадь перехода	Плоскостной Точечный
Полупроводниковый материал	Германиевый Кремниевый Из арсенида галлия
Назначение	Выпрямительный Импульсный Сверхвысокочастотный Стабилитрон (стабистор) Варикап
Принцип действия	Лавинно-пролетный Туннельный Диод Шотки Излучающий Диод Ганна

Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в практике.

Выпрямительный диод, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 10.4, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения U_пр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения U_пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (U_пр не превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину U_пр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

_{Iпр ср max} — максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

U_{обр.доп} — допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

f_max — максимально допустимая частота входного напряжения;

U_пр — значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные I_{пр ср max} <0,3 A; средней мощности 0,3 A<I_{пр ср max} <10 A; большой мощности I_{пр ср max}>10 A.

По частоте: низкочастотные f_max <1000 Гц; высокочастотные f_max >1000 Гц.

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение U_пр и более высокие частотные характеристики.

Импульсный диод — полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.

Длительность переходных продресов в диоде (рис. 10.4) обусловлена тем, чтo изменeние направления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно в связи с перезарядом емкости выпрямляющего перехода и инерционными процессами рассасывания инжектированных в базу неосновных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром — временем восстановления t_вос его обратного сопротивления. Время восстановления равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, который в момент переключения напряжения paвен прямому току, достигнет своего минимального значения.

Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде

Поэтому кроме параметров I_{пр ср max}, U_обр, U_пр характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр t_вос, характеризующий быстродействие.

Для повышения быстродействия (уменьшения t_вос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости C_зар. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов.

В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ-диод) — полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки высокочастотного сигнала (до десятков и сотен ГГц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются при генерации и усилении электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножении частоты, модуляции, регулировании и ограничении сигналов и т. д. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение п