double arrow

Режим нагрузки полупроводниковых диодов

Классификация и система обозначения полупроводниковых диодов

Классификация полупроводниковых диодов установлена: по типу p-n перехода; по типу полупроводникового материала, из которого изготовлен диод; по назначению и по основным параметрам (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Классификация полупроводниковых диодов

Признак классификации Обозначение Наименование
Тип перехода - Точечный Плоскостной
Полупроводниковый материал 1 или Г 2 или К 3 или А 4 или И Германий (Ge) Кремний (Si) Соединения галлия (арсенид галлия) Соединения индия (фосфид индия)
Подкласс Д Ц В И А С Л О Выпрямительные и импульсные Выпрямительные блоки Варикапы (с изменяющейся ёмкостью) Туннельные Сверхвысокочастотные (СВЧ) Стабилитроны и стабисторы Светоизлучающие (светодиоды) Оптоэлектронные (оптроны)

Система обозначения полупроводниковых диодов определяется отраслевым стандартом ОСТ 11336.038 – 81 и его последующими редакциями, и представляет собой семизначный буквенно-цифровой код.

К Д А

На первом месте цифра или буква обозначают полупроводниковый материал, на втором месте буква обозначает подкласс (см. табл. 2.1).

На третьем месте цифра обозначает назначение (область применения) диода:

1 - малой мощности (Iпр.ср £ 0,3 А), низкочастотный (до 1 кГц);

2 - средней мощности (Iпр.ср £ 3 А), низкочастотный;

3 - большой мощности (Iпр.ср £ 10 А), низкочастотный;

4 - переключательный (только для подкласса Д);

5…9 - импульсные высоко и сверхвысокочастотные.

На четвёртом и пятом месте цифры обозначают порядковый номер разработки.

На шестом месте буква обозначает отличие по основным параметрам, обычно по максимально допустимому обратному напряжению Uобр.макс.

На седьмом месте буква обозначает отличие по конструктивному исполнению:

М - отличие по материалу корпуса (если основная серия в металлическом корпусе, то с буквой М – в пластмассовом);

П - отличие по полярности выводов (в металлостеклянном корпусе с гайкой);

С - сборка (несколько диодов в одном корпусе соединены в матрицу с общим анодом или с общим катодом).

Как было отмечено в предыдущей лекции, вольтамперная характеристика полупроводникового диода нелинейная. Расчёт и анализ схем с нелинейными элементами можно проводить двумя методами: графическим на ВАХ или аналитическим с помощью эквивалентных схем.

Поскольку прямое сопротивление диода составляет единицы Ом, подключение диода к источнику питания производится через дополнительный резистор, который ограничивает величину тока в цепи. Такое включение называется режимом нагрузки.

Рассмотрим работу диода в режиме нагрузки с расчётом схемы графическим методом. На рис. 2.2, а представлена схема включения диода с дополнительным резистором R к источнику питания E, а на рис. 2.2, б – ВАХ диода и графический расчёт схемы.

а) б)

Рис. 2.2. Графический метод расчёта статического режима нагрузки полупроводникового диода:

а – схема включения диода в режиме нагрузки; б – построение на ВАХ нагрузочной прямой

Пусть известны E, R и дана ВАХ диода. Требуется определить ток в цепи I, напряжение на диоде UVD и на дополнительном резисторе UR. При расчёте графическим методом необходимо построить на ВАХ диода нагрузочную прямую АВ. Нагрузочная прямая строится из уравнения закона Ома для полной цепи:

. (2.1)

Точка А – это точка короткого замыкания в цепи, когда UVD = 0. При этом ток в цепи составит .

Точка В – это точка холостого хода, когда I = 0. При этом UVD = Е.

Пересечение нагрузочной прямой АВ с ВАХ называется рабочей точкой схемы О. Координаты точки О определяют искомый ток в цепи I, напряжение на диоде UVD и падение напряжения на дополнительном резисторе UR.

Мы рассмотрели статический режим работы диода, когда на вход схемы подано напряжение постоянного тока от источника Е. Однако часто случается так, что в схеме с диодом действуют одновременно источники постоянного Е и переменного тока Um×sinwt. Такой режим работы называется динамическим. Различают режим малого сигнала, при котором Е >> Um×sinwt, и большого сигнала (Е £ Um×sinwt).

Рассмотрим работу диода в динамическом режиме малого сигнала.

На рис. 2.3, а представлена схема включения диода в цепь с двумя источниками постоянного Е и переменного тока Um×sinwt с дополнительным резистором R, а на рис. 2.3, б – ВАХ диода и графический расчёт схемы.

а) б)
     

Рис. 2.3. Графический метод расчёта динамического режима нагрузки полупроводникового диода:

а – схема включения диода в цепь с двумя источниками постоянного и переменного тока;

б – построение на ВАХ нагрузочных прямых

Нагрузочная прямая АВ на ВАХ диода строится так же, как и в предыдущем примере по точке холостого хода и точке короткого замыкания. Получившаяся при построении рабочая точка О определяет режим схемы по постоянному току. При изменении переменного напряжения от –Um до +Um нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе, и рабочая точка также смещается от O’ до O”. Проекция перемещения рабочей точки на ось токов (y) даёт нам значение амплитуды переменного тока в схеме, а на ось напряжений (x) – значение амплитуды напряжения на диоде. Проекция перемещения точки холостого хода В даёт значение амплитуды напряжения на нагрузочном резисторе R.

Чем больше отличаются R и rпр, тем больше будет амплитуда переменного напряжения, выделяющегося на резисторе нагрузки.

Режим малого сигнала используется в коммутаторах, когда при подаче на диод открывающего (прямого) постоянного напряжения диод пропускает в нагрузку переменное напряжение практически без искажений, а при подаче закрывающего (обратного) напряжение переменное напряжение не проходит в нагрузку. Однако такая работа диода возможна только на низкой частоте переменного напряжения. С ростом частоты на работу диода будет влиять ёмкость p-n перехода (см. раздел 1.4).

Учесть влияние ёмкости p-n перехода при графическом методе расчёта схем с диодами невозможно. Поэтому применяется аналитический метод или метод эквивалентных схем, с помощью которого можно рассчитывать схемы на ЭВМ в прикладных программах, например «Microlab» или «EWB».

Эквивалентной схемой (схемой замещения) называют такую схему, при замене которой реального устройства его входные и выходные параметры для внешних цепей постоянного и переменного тока практически не изменяются.

Рассмотрим эквивалентные схемы полупроводникового диода для постоянного и переменного тока, которые применяются при расчётах на ЭВМ.

а) б)

Рис. 2.4. Эквивалентные схемы полупроводникового диода:

а – для постоянного тока; б – для переменного тока

Эквивалентная схема для постоянного тока учитывает наличие у диода прямого и обратного динамического сопротивления, а пороговое напряжение и обратный ток представлены соответствующими генераторами напряжения и тока.

Эквивалентная схема для переменного тока учитывает наличие у диода динамического сопротивления p-n перехода rД, объёмного сопротивления p и n областей rб, барьерной и диффузионной ёмкостей СБ и СД, а также индуктивности и ёмкости выводов диода LК и СК (учитывается на частотах выше 30 МГц).

С ростом частоты сигнала влияние ёмкости возрастает. Максимально допустимой частотой работы диода fmax считается частота, на которой ёмкостное сопротивление закрытого p-n перехода ХС становится равным дифференциальному сопротивлению rобр:

.

Отсюда максимально допустимая частота работы:

. (2.2)

Дальнейшее увеличение частоты приводит к резкому увеличению обратного тока, что может вызвать повышение температуры и тепловой пробой диода.

В режиме большого сигнала (Е £ Um×sinwt) диоды используются в схемах выпрямления переменного тока и амплитудных ограничителях. Схемы выпрямления будут рассмотрены в следующей лекции.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные параметры полупроводниковых диодов.

2. По каким параметрам классифицируются полупроводниковые диоды?

3. Расшифруйте обозначение ГД507А, КД242Б.

4. Какими методами производится расчёт схем с полупроводниковыми диодами?

5. Как строится нагрузочная прямая при графическом расчёте схемы?

6. Как влияет частота переменного напряжения на работу диода?



Сейчас читают про: