Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов

Способность полупроводникового диода хорошо пропускать ток в прямом на­правлении и практически не пропускать его в обратном нашла широкое примене­ние для выпрямления переменного тока. Схема простейшего выпрямителя пред­ставлена на рис. 3.8, а. Она содержит генератор переменного напряжения иГ, нагруженный па последовательно включенные резистор и диод, поэтому напря­жение источника ит перераспределяется между диодом (uд) и резистором (uR). Чтобы найти значения тока и напряжений uГ и uR, надо представить вольт-ампер­ные характеристики диода и резистора в виде графиков (рис. 3.8, б) и найти их точку пересечения.

Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов - student2.ru

Вольт-амперная характеристика резистора определяется законом Ома:

Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов - student2.ru

График этой зависимости представляет собой прямую линию, называемую нагру­зочной. Она отсекает на оси абсцисс отрезок, равный uГ, а на оси ординат отрезок, равный uГ/R. При изменении мгновенных значений напряжения генератора на­грузочная линия, не изменяя своего наклона, перемещается влево или вправо. При этом изменяется положение точки пересечения графиков. Если же изменить со­противление резистора, то изменится наклон нагрузочной линии. Диаграмма работы диода в выпрямительном режиме показана на рис. 3.9, на ко­тором положение нагрузочной линии соответствует амплитуде напряжения Uim.

Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов - student2.ru

Ток в цепи существует только в положительные полупериоды переменного напря­жения, при этом к диоду прикладывается небольшое по величине прямое напря­жение ид. В отрицательные полупериоды ток в цепи практически отсутствует, и все напряжение генератора подводится к диоду. В рассматриваемой схеме напря­жение на нагрузке оказывается пульсирующим. Чтобы устранить эти пульсации, параллельно резистору включают конденсатор большой емкости (рис. 3.10, а), Графики, показывающие изменение токов и напряжений в такой схеме, показаны на рис. 3.10, б. Синусоидальная кривая изображает переменное напряжение гене­ратора и,., а ломаная линия ABCD — выпрямленное напряжение uR. Ток через диод существует при условии uГ > uR, то есть в интервалы времени t1..t2, t3...t4 и т. д. Этот ток подзаряжает конденсатор, на котором удерживается напряжение, близкое к амплитудному значению напряжения генератора. В интервале времени t2...t3 ток через диод отсутствует, и конденсатор медленно разряжается через резистор. По­этому на конденсаторе получается примерно постоянное выпрямленное напряже­ние. Максимальное обратное напряжение Uобр.m в рассматриваемой схеме получа­ется, когда uГ = -UГm. Поскольку напряжение на конденсаторе также близко к Um, то наибольшее обратное напряжение на диоде равно примерно удвоенной ампли­туде выпрямляемого напряжения.

В диодах, работающих на высокой частоте, при перемене полярности напряже­ния появляются импульсы обратного тока (рис. 3.11, а). Причиной возникнове­ния этих импульсов является рассасывание накопленного в базе заряда.

Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов - student2.ru

Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов - student2.ru

Когда диод работает на низкой частоте, инерционность процессов накопления и рассасывания заряда не проявляется, так как время пролета носителей заряда через базу существенно меньше периода изменения выпрямляемого напряже­ния. Поэтому в диодах с узкой базой графики распределения концентрации ды­рок в любой момент времени практически линейны, они показаны на рис. 3.11, б и в пунктиром, а импульс тока представляет собой положительную полуволну си­нусоиды, он показан пунктиром на рис. 3.11, я. На высокой частоте концентрация дырок в сечении хп, соответствующая различным моментам времени, сохраняется такой же, как и на низкой частоте, так как временем перемещения дырок через р-п-переход можно пренебречь. Внутри базы распределение концентрации дырок отличается от распределения на низкой частоте.

При быстром увеличении напряжения (интервал to...t4) дырки не успевают запол­нять базу до уровня, соответствующего низкочастотному режиму, поэтому гра­фики р(х) проходят ниже пунктирных линий. При этом градиент концентрации дырок в сечении хп, определяющий мгновенные значения тока, будет больше, чем на низкой частоте. Поэтому мгновенные значения тока оказываются больше, чем на низкой частоте. Чем выше частота, тем сильнее различие в мгновенных значе­ниях тока. В интервале времени t5..t7 напряжение изменяется незначительно, по­этому можно считать, что концентрация дырок в сечении хв сохраняется посто­янной, а градиент концентрации уменьшается, так как дырки заполняют базу, поэтому в этом интервале ток уменьшается.

При быстром уменьшении напряжения (интервал t7...t12) концентрация дырок в базе оказывается больше, чем на низкой частоте, так как внутри базы находятся дырки, прошедшие через сечение хП раньше, когда их концентрация была более высокой. В интервале t7-t10 скорость изменения напряжения нарастает, поэтому концентра­ция дырок внутри базы все сильнее отличается от концентрации на низкой частоте. В интервале времени t10...t12 скорость изменения напряжения становится столь вы­сокой, что концентрация дырок внутри базы оказывается больше, чем в сечении хп, и градиент концентрации меняет знак. Мгновенные значения тока определяются градиентом концентрации дырок в сечении хП. В интервале t7...t10 мгновенные значения тока меньше, чем на низкой частоте, и ток сохраняет положительное направле­ние. При t = t10 градиент равен нулю, поэтому ток тоже равен нулю. При t > t10 вслед­ствие изменения знака градиента концентрации ток становится отрицательным, так как происходит возврат дырок из базы в эмиттер. С течением времени этот отрица­тельный ток достигает максимума, а затем спадает до нуля. С повышением частоты максимум положительного тока наступает раньше, длительность положительного импульса уменьшается, а величина и длительность отрицательного выброса тока возрастают. Все это ведет к уменьшению постоянной составляющей выпрямлен­ного тока, то есть к ухудшению выпрямительных свойств диода с ростом частоты.

Наши рекомендации