Полупроводниковые выпрямительные диоды и стабилитроны. Конспект лекций по курсу "Электротехника и основы электроники"

Основы электроники

Конспект лекций по курсу "Электротехника и основы электроники"

Новочеркасск 2004

Полупроводниковые выпрямительные диоды и стабилитроны

Рис.1.1. Обозначение диода на схемах.

Рис.1.2. Включение диода.

Полупроводниковые диоды - это приборы с одним p-n переходом (рис. 1.1). По особенностям конструкции и назначению они очень разнообразны. Мы рассмотрим выпрямительные диоды и стабилитроны.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменных напряжений и токов. Они обладают малым сопротивлением в прямом включении и большим сопротивлением в обратном включении (рис. 1.2). Практически, они пропускают ток только в одну сторону.

В расчетах цепей с выпрямительными диодами можно пользоваться максимальными допустимыми значениями прямого тока и обратного напряжения, а также максимальными значениями прямого напряжения и обратного тока (рис.1.3).

Эти основные параметры определяют выбор диода для конкретного назначения, они приводятся в справочниках. В документации, предоставляемой изготовителем, имеются графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов, а также другая информация.

Рис. 1.3. ВАХ выпрямительного диода.

Типичные значения прямого напряжения выпрямительных диодов средней мощности - от долей вольта до 1-2 вольт, обратного тока - от десятков до сотен микроампер.

В упрощенных расчетах цепей с диодами прямое напряжение и обратный ток принимают равными нулю, то есть считается, что в прямом включении диод - идеальный проводник, а в обратном - идеальный изолятор. Такая модель называется идеальным диодом.

При достаточно большом обратном напряжении у полупроводникового диода наступает режим пробоя. Выпрямительный диод от этого сгорает.

Стабилитрон - это специальный тип диода, у которого пробой является рабочим режимом (рис. 1.4). Стабилитроны используются для стабилизации пульсирующего напряжения, для ограничения напряжений, а также для получения заданных напряжений в электронных схемах.

В режиме пробоя при изменении тока от минимального до максимального значения тока стабилизации напряжение меняется в узких пределах от минимального до максимального значения напряжения стабилизации (рис. 1.5).

Рассмотрим включение стабилитрона последовательно с нестабильным источником напряжения и резистором (рис. 1.6). Обратим внимание, что на схеме рис. 1.6 стрелка напряжения стабилитрона направлена от катода к аноду (обратно к ее ориентации на рис. 1.4). По этой причине обратный ток и обратное напряжение стабилитрона положительны, и рабочий участок ВАХ стабилитрона на рис. 1.7 расположен в 1-м углу координатной плоскости.

Рис. 1.4. Обозначение стабилитрона на схеме.

Рассчитаем графически напряжение на стабилитроне для различных значений э.д.с. источника. Для этого изобразим на одном графике ВАХ стабилитрона и ВАХ составного двухполюсника, образованного соединением источника напряжения и резистора (рис. 1.7).

Рис. 1.5. ВАХ стабилитрона.

Рис. 1.6. Схема стаби- лизатора напряжения.

Напряжение этого двухполюсника равно напряжению стабилитрона, ток этого двухполюсника равен току стабилитрона. Поэтому точка на графике, соответствующая состоянию цепи, будет принадлежать как ВАХ составного двухполюсника, так и ВАХ стабилитрона, то есть, она будет лежать на пересечении этих ВАХ. Такой метод расчета нелинейных цепей называется методом пересечения ВАХ.

Рис.1.7 показывает, что при большом изменении э.д.с. источника (u_вх.) от е₁ до е₄ напряжение стабилитрона меняется значительно меньше - от u_{вых. 1} до u_{вых. 4}. Таким образом, цепь рис. 1.6 позволяет стабилизировать напряжение.

Рис. 1.7. Графический расчет нелинейной цепи методом пересечения ВАХ.

Рассчитаем аналитически напряжение стабилитрона при условии изменения э.д.с. источника. Для этого введем понятия статического и дифференциального сопротивления.

Статическим сопротивлением двухполюсника, соответствующим точке его ВАХ с координатами (u₀, i₀), называется число

.

Дифференциальным сопротивлением двухполюсника, соответствующим точке его ВАХ с координатами (u₀, i₀), называется производная , вычисленная в точке (u₀, i₀).

Для линейного резистора статическое сопротивление равно дифференциальному.

Для нелинейных цепей часто рассчитывают отдельно постоянные и переменные составляющие напряжений и токов. Постоянные составляющие определяют так называемые рабочие точки полупроводниковых приборов ("точки покоя"), а переменные составляющие являют собой отклонение напряжений и токов от рабочих точек. Как правило, переменные составляющие представляют основной интерес.

В расчетах постоянных составляющих используют статические сопротивления элементов цепи. В расчетах переменных составляющих применяют дифференциальные сопротивления. При этом обычно рассматривают небольшие отклонения напряжений и токов от рабочих точек Δu и Δi - такие, что соответствующие участки ВАХ нелинейных элементов можно приближенно считать прямыми линиями и задавать уравнениями вида

, (1.1)

или .

Рис. 1.8. Малосигнальная схема стабилизатора напряжения.

На схемах эл. цепей для расчета малых переменных составляющих изображают только дифференциальные сопротивления. Такие схемы называют малосигнальными (рис. 1.8).

Сформулируем конкретные условия задачи для цепи рис. 1.6.

Пусть u_{ст. мин.} = 11 В, u_{ст. макс.} = 13 В,

i_{ст. мин.} = 40 мА, i_{ст. макс.} = 240 мА,

u_вх. = 24 + 5 sinωt (В)

Рис. 1.9. Схема расчета рабочей точки стаби- лизатора напряжения.

Нужно рассчитать напряжение на стабилитроне.

Решение. Вначале, пользуясь статическими сопротивлениями, найдем допустимые пределы для сопротивления резистора (рис. 1.9). Чтобы при любом напряжении источника стабилитрон был в рабочем режиме, ток должен удовлетворять неравенствам:

,

Выражая ток через напряжение источника и сопротивление, получим:

, ,

откуда , ,

, ,

Окончательно получим:

. (1.2)

На случай больших отклонений напряжения источника от среднего значения рассчитаем сопротивление резистора, такое, чтобы рабочая точка стабилитрона находилась примерно на середине рабочего участка ВАХ. Как и было сказано, будем вести расчет, используя постоянные составляющие напряжений и токов.

Найдем значения напряжения и тока, приближенно соответствующие середине рабочего участка ВАХ стабилитрона (рис. 1.10):

мА = 0,14 А.

Постоянная составляющая напряжения на резисторе равна

В.

По закону Ома Ом.

Это сопротивление удовлетворяет неравенству (1.2), поэтому при заданных условиях стабилитрон будет в рабочем режиме.

Рис. 1.10. К аналитическому расчету напряжения стабилитрона.

Найдем приближенное значение дифференциального сопротивления стабилитрона в рабочей точке:

Теперь, используя малосигнальную схему цепи, найдем амплитуду колебаний тока ΔI_m:

А,

откуда (А).

Используя приближенное выражение для ВАХ (1.1), получим напряжение стабилитрона:

(В).

Коэффициентом пульсаций напряжения или тока называется отношение амплитуды первой синусоидальной гармоники колебаний к постоянной составляющей соответствующей величины. Сравним коэффициенты пульсаций напряжения на входе и на выходе:

, .

Таким образом, относительная пульсация напряжения на выходе примерно в 4,8 раз меньше, чем на входе.

Замечание. Амплитуды переменных составляющих напряжения и тока рассчитываются независимо от формы сигнала. Переменная составляющая напряжения источника задана в виде синусоиды только для простоты расчета коэффициентов пульсаций.