Рабочий режим диода

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рисунок 2.11, а). В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка – катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R₀ и сопротивления нагрузочного резистора R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R₀ у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и u, а для сопротивления R_н подобным уравнением является закон Ома:

i = u_R/R_н = (E – u)/R_н . (2.2)

а) б) в)

Рисунок 2.11 – Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и u, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления R_н – это уравнение первой степени относи­тельно i и u. Его графиком является прямая линия, называемая линией на­грузки. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При i = 0 из уравнения (2.2) получаем: Е – u = 0 или u = Е, что соответствует точке А на рисунке 2.11, б. А если u = 0, то i = E/R_н. Откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). Через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки Т дают решение поставленной задачи. Сле­дует отметить, что все остальные точки прямой АБ не соответствуют каким-либо рабочим режимам диода. Можно строить линию нагрузки по углу ее наклона α, поскольку R₀ = k ctg α. Но это менее удобно, так как надо опреде­лять коэффициент k с учетом масшта­бов и находить угол α по его котан­генсу.

При построении линии нагрузки для сравнительно малых R_н точка Б окажется за пределами чертежа. В этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение U (рисунок 2.11, в) и от полученной точки В отложить ток, равный U/R_н (отрезок ВГ). Прямая, про­веденная через точки А и Г, будет линией нагрузки.

Цепь с последовательно соединен­ными диодом и линейным нагрузочным резистором R_н является нелинейной. Характеристику такой цепи, называемую рабочей характеристикой диода, т. е. гра­фик зависимости i = f (Е), можно полу­чить суммированием напряжений для характеристик диода и нагрузочного резистора R_н (рисунок 2.12). Характеристика резистора R_н выражает закон Ома i = u_R/R_н и является прямой линией, проходящей через начало координат.

Рисунок 2.12 – Построение рабочей характеристики для цепи, состоящей из последовательно соединенных диода и резистора нагрузки

Для построения этой прямой на график наносится точка, соответствующая про­извольному напряжению u_R и току u_R/R_н. Через эту точку и начало коор­динат проводится прямая. В предыду­щих построениях линия нагрузки не проходила через начало координат, по­тому что она выражала зависимость тока не от напряжения u_R, а от напря­жения на диоде u.

Рабочую характеристику цепи i = f (E) строим, складывая для несколь­ких значений тока i напряжения u и u_R, так как Е = u + u_R. Например, при токе 3мА имеем: u = 0,4 В и u_R = 0,5 В. Суммируя эти напряжения, получаем Е = 0,9В и соответствующую точку результирующей характеристики. Ана­логично находим другие точки, и через них проводим плавную кри­вую.

Свойства последовательной цепи зависят главным образом от свойств участка цепи, имеющего большее сопро­тивление. Поэтому чем больше сопро­тивление R_н, тем меньше нелинейность результирующей характеристики.

Сле­дует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не де­лать, если R_н >>R₀. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно по формуле i » E/R_н.

Рассмотренные методы расчета по­стоянного напряжения Е можно при­менить для амплитудных или мгновен­ных значений, если анодный источник дает переменное напряжение.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение полупроводниковому диоду.

2. Поясните систему обозначений современных полупроводниковых диодов.

3. Расшифруйте маркировку диода АЛ307Б.

4. Расшифруйте маркировку диода 2Д921А.

5. Приведите УГО выпрямительного, туннельного диодов, светодиода, одностороннего стабилитрона и одностороннего ограничителя напряжения. Покажите знаками «+» «–» на УГО анод и катод диодов.

6. Поясните особенности цветной маркировки диодов.

7. Какие различия существуют между точечными и плоскостными диодами?

8. Почему точечные диоды применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ?

9.Какие полупроводники применяются для создания плоскостных и точечных диодов?

10. Опишите принцип устройства и технологию изготовления точечного диода.

11. Опишите принцип устройства и технологию изготовления сплавного плоскостного диода?

12. На чём основан принцип диффузионного метода изготовления n-p- перехода?

13. Объясните принцип планарного метода изготовления n-p- перехода.

14. В чем заключается метод эпитаксии и для чего он применяется?

15. Вставьте пропущенные слова: Планарно-эпитаксиальные диоды позволяют увеличить … и получить при этом небольшую ....

16. Как устроен диод Шотки?

17. На что влияет уменьшение объёма базовой области в мезадиоде?

18. Опишите принцип устройства мезадиода.

19. Какие технологии используются для создания мезадиодов?

20 .Для чего применяют p-i-перехо­ды в выпрямительных диодах?

21. Объясните условия прохождения прямого тока через диод.

22. Какой режим работы диода называют рабочим?

23. Какую линию называют линией нагрузки, и как ее построить?

24.Задача:Источник постоянного напряжения с ЭДС Е =1В подключен к последовательно соединенным диоду КД105Б и сопротивлению нагрузки R_н = 5 Ом. Температура рабочего режима t=25°C. Требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

25. Задача: Определить напряжение на диоде КД105Б в рабочем режиме при температуре t°=85°C и напряжение на резисторе нагрузки, если диод и нагрузка подключены к источнику постоянного тока с ЭДС Е=1В, создающего ток в цепи I_пр=250 mA.