Полупроводниковые диоды. Типы диодов и схемы обозначения. Электронные выпрямители и стабилизаторы

ЛЕКЦИЯ №2

ТЕМА: Полупроводниковые диоды

ПЛАН

Введение.

2.1.  Типы диодов и схемы обозначения.

2.1.1.  Точечные диоды.

2.1.2.  Плоскостные диоды.

2.1.2.1.  Стабилитроны.

2.1.2.2.  Туннельный диод.

2.1.2.3.  Обращенный диод.

2.1.2.4.  Варикап.

2.1.2.5.  Магнитодиод.

2.1.2.6.  Тензодиод.

2.1.2.7.  Оптоэлектронные диоды.

2.2.  Электронные выпрямители и стабилизаторы.

2.2.1.  Однополупериодный выпрямитель.

2.2.2.  Двухполупериодный выпрямитель.

2.2.2.1.  Мостовая схема выпрямления.

2.2.2.2.  Схема с выводом нулевой точки трансформатора.

2.2.3.  Параметрический стабилизатор напряжения.

2.1. Типы диодов и схемы обозначения.

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор состоящий из одного p-n перехода.

Типы диодов определяются их свойствами и ВАХ.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода, и его структура. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к области N, — катодом.

 

2.1.1. Точечный диод.

Технология изготовления точечного диода позволяет получить p-n переход путем впаивания стальной проволоки в кристалл полупроводника. В результате, в месте пайки образуется p-n переход. Впаивание проволоки осуществляется путем пропускания через контакт импульсного тока большой величины.

1 – стеклянный баллон;

2 – стальная проволока;

3 – вывод диода;

4 – полупроводниковый кристалл.

При прямом включении к p-n переходу точечного диода можно подключать напряжение не более 1 В. В противном случае диод выйдет из строя. При обратном включении точечного диода ток может достигать десятков вольт.

При увеличении температуры, ВАХ точечного диода значительно изменяется, что приводит к изменению режимов работы диода.

2.1.2. Плоскостные диоды.

1 – электрические отводы;

2 – металлический герметичный корпус;

3 – стеклянная трубка;

4 – стеклянный изолятор;

5 – p-n переход;

6 – вывод.

Плоскостные диоды довольно часто применяют в качестве выпрямительных диодов. Выпрямительные диоды бывают микроплоскостные (у которых поверхность кристалла составляет доли квадратного миллиметра) и макроплоскостные (у которых поверхность кристалла может достигать нескольких квадратных сантиметров), поэтому токи у этих диодов могут быть от десятков долей Ампера до тысяч Ампер.

2.1.2.1. Стабилитрон.

Стабилитрон – полупроводниковый диод, который имеет ВАХ, в области электрического пробоя практически не зависящую от обратного напряжения.

Стабилитрон предназначен  для стабилизации постоянного напряжения при изменении тока нагрузки устройства или изменении входного напряжения.

Параметры стабилитрона:

1)  I_ст.мин. – минимальный ток стабилизации, обусловленный начальным участком прямолинейной характеристики.

2)   I_{ст.макс.} – максимальное значение тока стабилизации, обусловленное тепловым пробоем p-n перехода.

3)  U_ст – напряжение стабилизации.

4)  R_д – динамическое сопротивление стабилизации.

5)  T_KU – температурный коэффициент напряжения, показывает приращение напряжения относительно приращения температуры.

2.1.2.2. Туннельный диод.

Туннельный диод. Изготавливается из сильнолегированного кремния или арсенида галлия. По конструкции данный диод практически не отличается от других плоскостных диодов и имеет следующую характеристику:

Принцип работы данного диода основан на туннельном эффекте, заключающимся в наличии отрицательного дифференциального сопротивления на втором участке характеристики.

Таким образом, на данном участке ВАХ положительное приращение напряжения сопровождается отрицательным приращением тока. На третьем участке ВАХ диод практически не отличается от подобных ему диодов. На участке четыре, при обратном включении, наблюдается резкий рост тока уже при незначительном обратном напряжении, т.е. проводимость при обратном включении очень высока.

2.1.2.3. Обращенный диод.

Обращенный диод предназначен для выпрямителей очень малых напряжений при прямом включении. Изготавливается на основе сильнолегированных полупроводников с критической концентрацией примесей и является разновидностью туннельных диодов.

Применяется в микроэлектронике, в выпрямительных устройствах. Прямая ветвь характеризуется незначительным приростом прямого тока на начальном участке и резком возрастании на втором участке. Данный участок характеризуется электрическим пробоем. Обратная ветвь сопровождается резким увеличением тока даже при незначительном обратном напряжении.

2.1.2.4. Варикап.

Варикап - диод, у которого ёмкость p-n перехода зависит от величины приложенного обратного напряжения.

Как видно из графика, с увеличением приложенного обратного напряжения, ёмкость варикапа падает, что обеспечивает возможность использовать его в качестве регулируемой ёмкости. Характеризуется коэффициентом перекрытия.

              С (5…..100 пкФ)

Используется в электронных устройствах дистанционного управления или автоматической подстройки частоты (АПЧ).

2.1.2.5. Магнитодиод.

Для измерения магнитного поля в качестве активных элементов используют магнитодиоды, у которых обратное напряжение будет зависеть от величины магнитного поля, в которое помещен магнитодиод.

2.1.2.6. Тензодиод.

Диод, в котором механическое воздействие на его корпус преобразуется в электрический сигнал.

2.1.2.7. Оптоэлектронные диоды.

К оптоэлектронным диодам относятся светодиоды, фотодиоды.

Диоды, в который осуществляется принцип оптического взаимодействия с кристаллом полупроводника

2.2. Параметрический стабилизатор напряжения.

Для питания электрической аппаратуры помимо выпрямительных устройств используют стабилизирующие устройства, которые позволяют поддерживать необходимое выходное напряжение на одном и том же уровне при изменениях входного напряжения или тока нагрузки.

R_б – балластное сопротивление;

VD – стабилитрон;

R_н – сопротивление нагрузки;

I – входной ток;

I_н – ток нагрузки;

I_VD – ток стабилитрона.

Дестабилизирующими факторами при работе аппаратуры являются входное напряжение и ток нагрузки. Параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию в обоих случаях.

В параметрическом стабилизаторе стабилитрон выполняет роль резистора, на котором имеется падение напряжения, изменяющееся при изменении входного напряжения или тока нагрузки. Работа стабилизатора связана с составным уравнением данной схемы:

На графике наносятся ВАХ стабилитрона и «опрокинутая» характеристика балластного сопротивления.

Балластное сопротивление выбирается таким образом, чтобы его характеристика проходила приблизительно через середину прямолинейного участка ВАХ (точка А).

При любых изменениях входного напряжения, например от U_вх1 до U_вх2 характеристика R_б переместится параллельно самой себе из точки А в точку А` при этом напряжение стабилизации изменится на ΔU (→0)

ΔU= U_ст1 – U_ст2

В результате, в соответствии с составным уравнением данной схемы изменится величина входного тока от значения I₁ до значения I₂ , а соответственно и падение напряжения R_б.

Как видно их графика, в реальной ВАХ стабилитрона U_ст незначительна.

Входное напряжение можно изменять в диапазоне, лежащем от значения, соответствующего току I_ст.мин. до I_{ст.макс.}

Стабилизатор характеризуется параметрами:

1.  К_ст. – коэффициент стабилизации;

2.  R_стаб. – внутреннее сопротивление стабилизатора;

3.  η – КПД стабилизатора (η~0,3 или 30%)