Содержание 
 

 

Введение

 

     Диод (от др.-греч. δι - два и -од из слова электрод) - двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

     Развитие  диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Фредерик Гутри открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов, в 1874 году германский учёный Карл Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических (твёрдотельных) диодов.

     Принципы  работы термионного диода были заново открыты тринадцатого февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в 1883 году, запатентованы (патент США № 307031). Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не получила. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле. Джэдиш Чандра Боус развил далее открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона в 1904 году в ноябре шестнадцатого (патент США № 803684 от ноября 1905 года). В 1906 году в ноябре двадцатого Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор (патент США № 836531).

     В конце XIX века устройства подобного  рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь.

 

§1. Выпрямительные диоды

 

     Выпрямитель электрического тока - механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

     Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы (6 для трёхфазной полумостовой схемы  или 12 для трёхфазной полномостовой схемы), соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств.

     Диодный мост - электронная схема, предназначенная  для преобразования ("выпрямления") переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

     Выделим два варианта включения мостовых схем однофазную и трехфазную.

     Однофазная  мостовая схема:

     На  вход схемы подается переменное напряжение (для простоты будем рассматривать синусоидальное), в каждый из полупериодов ток проходит через два диода, два других диода закрыты (рис.1 а, б).

     Рисунок 1 а) Выпрямление положительной полуволны  б) Выпрямление отрицательной полуволны 

     В результате такого преобразования на выходе мостовой схемы получается пульсирующее напряжение вдвое большее частоты  напряжения на входе (рис.2 а, б, с)

     

 
Рисунок 2. а) исходное напряжение (напряжение на входе), б) однополупериодное выпрямление, с) двухполупериодное выпрямление 

     Трехфазная  мостовая схема:

     В схеме трехфазного выпрямительного  моста в результате получается напряжение на выходе с меньшими пульсациями, чем в однофазном выпрямителе (рис.3).

     

 
Рисунок 3. Напряжение на выходе трехфазного выпрямителя 

     Для выпрямления трехфазных напряжений так же широко используются диодные выпрямители. Очень распространены схемы выпрямителей на полумостовых диодных выпрямителях рис. 4.

     

 
Рисунок 4. Трехфазная схема выпрямителя на полумостах 

     Как правило, для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя применяется фильтр в виде конденсатора или дросселя, к тому же для стабилизации выходного напряжения устанавливается стабилитрон рис. 5.

     

 
Рисунок 5. Схема диодного выпрямителя с фильтром

     Конструкция, преимущества

     

 
Рисунок 6. Диодный мост на дискретных элементах

     Конструкция диодных мостов может быть выполнена из отдельных диодов, или в виде монолитной конструкции (диодной сборки). Монолитная конструкция, как правило, предпочтительней - она дешевле и меньше по объему. Диоды в ней подобраны на заводе изготовителе и параметры максимально аналогичны друг другу, в отличие от отдельных диодов, где параметры могут отличаться друг от друга, к тому же в рабочем состоянии диоды в диодной сборке работают в одинаковом тепловом режиме, что уменьшает вероятность выхода из строя элемента. Еще одним преимуществом диодной сборки является ее простота монтирования на плате. Основным недостатком монолитной конструкции является не возможность замены одного диода, вышедшего из строя другим, в этом случае необходимо менять всю сборку, но происходит это крайне редко, если рабочие режимы диодного моста подобраны правильно.

     

 
Рисунок 7. Диодная сборка 

     Область применения выпрямительных мостов обширна, например:

     - приборы освещения (люминесцентные лампы, ЭПРА, модули солнечных батарей);

     - счетчики электроэнергии;

     - блоки питания и управления бытовой техники (телевизоров, миксеров, стиральных машин, пылесосов, set-top-box, компьютеров, холодильников, электроинструмента и др.), зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, AC/DC-DC/DC преобразователи;

     - промышленное (блоки питания, зарядные устройства, блоки управления электродвигателями, регуляторы мощности и др.), автомобильные выпрямители. 
 
 

 

§2. Стабилитроны

 

     Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

     

     Рисунок 8. Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах 

     

     Рисунок 9. Обозначение двуханодного стабилитрона на принципиальных схемах 

     В основе работы стабилитрона лежат два  механизма:

• Лавинный пробой p-n перехода
• Туннельный пробой p-n перехода (Эффект Зенера в англоязычной литературе)

     Несмотря  на схожие результаты действия, эти  механизмы различны, хотя и присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения является оптимальным решением для устройств с широким температурным диапазоном применения.

     Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей заряда. Поэтому в стабилитроне инжекционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей заряда при переходе из области пробоя в область запирания и обратно, практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей.

     Виды  стабилитронов:

     - прецизионные — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и температурный коэффициент напряжения (например: 2С191, КС211, КС520);

     - двуханодные — обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (например: 2С170А, 2С182А);

     - быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса (единицы нс), что позволяет стабилизировать и ограничивать кратковременные импульсы напряжения (например: 2С175Е, КС182Е, 2С211Е).

     Существуют  микросхемы линейных регуляторов напряжения с двумя выводами, которые имеют такую же схему включения, что и стабилитрон, и зачастую, такое же обозначение на электрических принципиальных схемах.

     Основным  параметром стабилитронов является напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Пробивное напряжение диода, а значит, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В).

     Важным  параметром стабилитрона является температурный  коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Значения этого параметра у различных стабилитронов различны. Коэффициент может иметь как положительные так и отрицательные значения для высоковольтных и низковольтных стабилитронов соответственно. Изменение знака соответствует напряжению стабилизации порядка 6В. 
 
 
 

 

§3. Варикапы

 

     Варикап (англ. vari(able) — переменный и cap(acity) — ёмкость) — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

     При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.

     По  сути, варикап - это обратносмещенный полупроводниковый диод. Прямая ветвь  его вольт-амперной характеристики, принципиальная для основного назначения диода (выпрямление, детектирование), для варикапа несущественна. В общем случае в качестве варикапа можно использовать (и на практике это нередко реализуют) диод и даже коллекторный или эмиттерный переход биполярного транзистора.   

     В отличие от полупроводниковых диодов, у варикапов нормируют (и, разумеется, обеспечивают при производстве) емкость р-n перехода при определенном напряжении смещения на нем и добротность. Заметим, что добиться добротности варикапа, заметно превышающей добротность контурной катушки, непросто. Это объясняется тем, что в варикапе, как и в любом диоде, последовательно с р-n переходом всегда включено сопротивление базовой области полупроводника, а параллельно - эквивалентное сопротивление, обусловленное обратным током через переход. Относительно низкая добротность варикапа подразумевает, в частности, необходимость учитывать ее при расчете добротности колебательного контура.   

     Зависимость емкости р-n перехода от приложенного к нему обратного напряжения имеет степенной характер вида С=U^-n, где значение параметра n может находиться в пределах от 0,33 до 0,5 (определяется технологией изготовления перехода). На рис. 10 показана типовая вольт-фарадная характеристика варикапа Д902, построенная в линейных координатах. Подобные характеристики можно найти в справочной литературе. Они позволяют определить емкость варикапа при различных значениях напряжения смещения.

     

     Рисунок 10. Типовая вольт-фарадная характеристика варикапа Д902