Выпрямительные диоды (ВД) предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50 - 100000 Гц), т.е. для преобразования переменного напряжения в постоянное или однополярное пульсирующее. Принцип работы ВД основан на использовании односторонней проводимости p-n-перехода (обычно плоскостного типа). Их широко используют в источниках питания, цепях управления и коммутации, ограничителях выбросов напряжения и т.п.
Наибольшее распространение получили кремниевые, германиевые диоды и диоды Шотки. Использование германиевых диодов предпочтительно при выпряилении малых питающих напряжений, поскольку у них напряжение отсечки (соизмеримое с контактной разностью потенциалов) равно 0.1 – 0.3 В, а сопротивление постоянному току (статическое сопротивление) в 1.5 - 2 раза меньше, чем у кремниевых. Кремниевые ВД в сравнении с германиевыми имеют меньшие обратные токи при одинаковом обратном напряжений) а также существенно большие обратные напряжения (1 - 5 кВ). Благодаря малой величине обратного тока кремниевые диоды работают в широком интервале температур окружающей среды - до +150 0С, тогда как германиевые – до + 70 0С. Диоды Шотки имеют малое падение напряжения (менее 0.5 – 0.6 В) при протекании прямого тока в несколько ампер и способны работать с частотами переменного тока до 100 кГц и выше. В высоковольтных цепях применяют выпрямительные столбы и блоки. Выпрямительные столбы представляют собой последовательное соединение ВД, объединенных в одном корпусе. Выпрямительные блоки являются конструктивно завершенными устройствами, содержащими соединенные определенным образок ВД, например, по мостовой схеме.
· Прямое падение напряжения (Uпр) при заданном прямом токе (Iпр)
· Постоянный обратный ток (Iоб) при заданном обратном напряжении (Uоб)
К основным динамическим параметрам относят:
· Среднее значение выпрямленного тока (Iвп.ср)
· Среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении выпрямленного тока Iвп.ср
· Среднее значение обратного тока (Iоб.ср) при заданном обратном напряжении
· Граничная частота (fгр), на которой выпрямленный ток диода уменьшается до заданного уровня
К параметрам электрического режима относятся:
· Дифференциальное сопротивление диода (rд)
· Емкость диода (Cд)
· Тепловое сопротивление диода (Rт) характеризующее необходимый перепад температур перехода (Тn) и окружающей среды (To) для отвода в среду 1 Вт выделяемой в диоде мощности (Po)
К параметрам эксплуатационного режима относятся (параметры предельно допустимых режимов работы ВД, при которых обеспечивается заданная надежность диода в течении оговоренных в ТУ срока службы):
· Максимальные значения выпрямленного тока (Iпр.макс) и обратного напряжения (Uоб.макс)
· Минимальная и максимальная температуры окружающей среды (Tмин, Tмакс)
Основной характеристикой ВД является вольтамперная характеристика (ВАХ). Как правило, для удобства анализа прямая и обратная ветви ВАХ представляют в различных масштабах. На рис. 1 приведены типовые ВАХ германиевого и кремниевого диодов. Анализ этих характеристик позволяет сделать следующие выводы:
· прямое падение напряжения на германиевом диоде существенно меньше, чем на кремниевом при равных значениях пряного тока;
· германиевый диод начинает проводить ток при меньшем прямом напряжении, чем кремниевый;
· обратный ток кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях; Рис. 1
· наклон ветвей ВАХ германиевого и кремниевого диодов существенно различен, что свидетельствует о неравенстве дифференциальных сопротивлений.
С момента возникновения и по настоящее время система условных обозначений диодов постоянно совершенствовалась и трижды претерпевала изяенения (1964, 1972, 1981 гг.). В настоящее время в эксплуатации находятся ВД с различными обозначениям к маркировкой,имеющие одинаковое функциональное назначение, например, Д7Ж, Д226Б, КД103А, 2Д220Б и т.д. Маркировка ВД предполагает наряду с указанием типа диода отметку вывода анода условным обозначением диода или цветной меткой.
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Пряная ветвь ВАХ снимается при включении диода в схему на рис. 2-а. Прямой ток через диод задается генераторов тока ГТ, характерной особенностью которого является слабая зависимость выходного тока от сопротивления нагрузки. Плавно увеличивая от нуля выходной ток генератора ГТ, измеряют прямое напряжение (Uпр) диода для ряда значений прямого тока (Iпр).
- +
а) б)
Рис. 2
Обратная ветвь ВАХ снимается при включении исследуемого диода в схему на рис. 2-б. Плавно увеличивая от нуля выходное напряжение генератора напряжения ГН3, измеряют величину обратного тока (Iоб) диода для ряда значений обратного напряжения (Uоб).
Полученные результаты заносятся в таблицы 1 и 2 для прямой и обратной ветвей ВАХ, соответственно.
Таблица 1
Прямой ток (Iпр), мА
0,05
0,1
0,2
0,5
Прямое напряжение (Uпр), В
Ge
Si
Таблица 2
Обратное напряжение (Uоб), В
…
Обратный ток (Iоб), мкА
Ge
Si
Полный цикл измерений поочередно производится для германиевого и кремниевого диодов. Исследуемые приборы -Д7 и КД103, либо аналогичные им.
Пользуясь данными табл. 1 и 2, построить прямые и обратные ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов в координатных осях Iпр(Uпр) и Iоб(Uоб) . Нанести на эти графики аналогичные зависимости, рассчитанные для идеального р-n-перехода, а также усредненные ВАХ этих диодов из справочников по диодам и гиперболу предельной мощности.
При выполнении экспериментальной части лабораторной работы используют:
· G1(ГТ) - генератор тока стенда;
· PAl (Iпр) - АВМ1 на пределе "10 мА";
· PV1(Uпр) - АВМ2 на пределах измерения "0.5 В" и "1В" соответственно для германиевого и кремниевого диодов;
· G2(ГНЗ) - источник напряжения стенда с диапазоном регулировки выходного напряжения от 0 до 100 В;
· РА2(Iоб) - АВО в пределах измерения "0.1 мА" и "0.01 мА";
· PV2(Uоб) - АВМ2 на пределе измерения "100 В".
На отдельном графике построить зависимости дифференциального и статического сопротивлений диода от приложенного напряжения
, .
Провести анализ полученных ВАХ, зависимостей rд(U), R(U) и сформулировать выводы по следующий вопросам:
· соотношение прямых напряжений на германиевом и кремниевом диодах при одинаковых значениях пряного тока;
· величины пряного напряжения, при которой германиевый и кремниевый диоды начинают проводить ток;
· соотношение значений обратных токов кремниевого и германиевого диодов при одинаковых обратных напряжениях;
· соразмерность дифференциальных сопротивлений диода в режимах прямого и обратного смещений;
· соотношение величин дифференциального и статического сопротивлений диода на различных участках ВАХ.
Домашнее задание
1. Изучить физические процессы в идеальном и реальной р-n-переходах и их связь с вольтамперной характеристикой. Рассчитать, и построить ВАХ. идеального р-n-перехода.
2. Изучить основные параметры, эквивалентные схемы, условные обозначения, маркировку, классификацию, область использования и особенности применения выпрямительных диодов.
3. Используя справочную литературу, построить ВАХ и выписать основные параметры исследуемых диодов (Д7, КД103). Определить диапазоны изменения токов и напряжений, в которых будет исследоваться ВАХ с учетом коэффициентов запаса (KI=KU=KP ≤ 0.5-0.8) и нагрузочной способности источников, постоянного тока (ГТ) и напряжения (ГНЗ). Рассчитать шаг изменения тока и напряжения, соответственно, для пряной и обратной ветви ВАХ из расчета, что каждая ветвь экспериментальной ВАХ должна иметь порядка десяти измеренных точек. Оценить максимальную рассеиваемую мощность на диоде в предполагаемом диапазоне изменения тока и напряжения. Построить таблицы для экспериментальных результатов.
4. Изучить методику снятия вольтамперной характеристики диодов, выяснить целесообразность поэтапного исследования ВАХ. Для этого воспользоваться следующими сведениями о выходных параметрах приборов лабораторного стенда: ГН1 Iмакс = 5 мА; Е= +0.5...-0.7 В; ГН2 Iмакс = 200 мА; Е= 0.5...15 В; ГНЗ Iмакс = 5 мА; Е = 0-..100 В.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Результаты выполнения домашнего задания.
3. Исследуемые электрические схемы.
4. Перечень использованных приборов стенда с указанием их пределов измерения и цены деления шкал.
5. Таблицы результатов измерений.
6. Графики снятых зависимостей.
7. Необходимые расчеты.
8. Ответы на контрольные вопросы.
9. Использовавшаяся литература.
Контрольные вопросы
1. Какие типы электрических переходов вы знаете? Что такое электронно-дырочный переход? Что такое эмиттер и база p-n перехода?
2. Что такое диод? Какие диоды относятся к выпрямительным?
3. Особенности и область преимущественного использования кремниевого и германиевого диодов. Как эти особенности связаны с физическими свойствами кремния и германия?
4. Система параметров выпрямительного диода
5. Типы пробоя p-n перехода, разновидности и причины электрического пробоя. При какой полярности прикладываемого к диоду напряжения возникает электрический пробой?
6. Что такое диффузионная и барьерная емкости p-n перехода? От чего зависит их величина?
7. Эквивалентные схемы диода в режимах прямого и обратного смещения, на низких и высоких частотах
8. ВАХ идеального и реального p-n перехода. Зависимость ВАХ, прямого напряжения и обратного тока от температуры
9. Что такое запирающий слой p-n перехода?
10. Объясните работу диода на зонной энергетической диаграмме
11. Что такое энергетический барьер и контактная разность потенциалов?
12. Поясните процессы диффузии, дрейфа, инжекции и экстракции применительно к работе p-n перехода
13. Приведите примеры условных обозначений и маркировки выпрямительных диодов.
14. Поясните полученные в работе результаты. Сравните германиевый и кремниевый диоды, используя их ВАХ
15. Укажите область использования выпрямительных диодов.
Литература
1. Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высшая школа, 1980.
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы - М.: Высшая школа, 1987.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.- М.: Высшая школа, 1991.
4. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – M.: Энергия, 1977.
характеризующее необходимый перепад температур перехода (Тn) и окружающей среды (To) для отвода в среду 1 Вт выделяемой в диоде мощности (Po)
прямое падение напряжения на германиевом диоде существенно меньше, чем на кремниевом при равных значениях пряного тока;
, 
.