Полупроводниковый диодпредставляет собой полупроводниковый кристалл с двумя слоями проводимости, заключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. В основе структуры диода лежит электронно-дырочный (p-n) переход – область полупроводника, расположенная вблизи металлургической границы между p- и n-слоями. Вывод от p-слоя называется анодом, а от n-слоя – катодом.
Электронно-дырочный переход имеет несимметричную вольт-амперную характеристику (ВАХ). При малом прямом напряжении Uпр (плюс на аноде, минус на катоде) протекает большой прямой ток, при больших обратных напряжениях Uобр (плюс на катоде, минус на аноде) – малый тепловой ток. ВАХ полупроводникового диода близка к характеристике идеального вентиля, у которого имеют место нулевое падение напряжения при протекании прямого тока и нулевой ток при приложении обратного напряжения.
Выпрямительные диоды подразделяются на германиевые и кремниевые; последние более распространены, так как имеют более высокую предельную температуру (120°С против 55°С), обладают меньшими обратными токами и большими допустимыми обратными напряжениями. Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения (порядка 0,7…1,0В против 0,3…0,5В у германиевых). Эти отличия параметров кремниевых диодов обусловлены большей шириной запрещенной зоны у кремния.
На рис. 1 показана прямая ветвь, а на рис. 2 – обратная ветвь ВАХ диода.
Рис.1. Прямая ветвь вольт - амперной характеристики кремниевого диода
Рис.2. Обратная ветвь вольт- амперной характеристики полупроводникового диода
На обратной ветви ВАХ наблюдается участок электрического пробоя: резкое увеличение тока при мало изменяющемся напряжении. Для выпрямительных диодов характерен лавинный пробой, заключающийся в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда, попавшие в переход, за время пробега между столкновениями с узлами кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. При этом образуется пара свободных носителей заряда. В свою очередь, эти носители, ускоряясь в поле, также могут произвести ионизацию. Процесс лавинного пробоя напоминает образование горной лавины. В результате ток через переход резко нарастает. При снятии напряжения Uобрток через прибор прекращается и диод пригоден к дальнейшему использованию, т. е. лавинный пробой является обратимым.
Рис.3. Схема двухполупериодного выпрямителя
Для питания электронных, измерительных и вычислительных устройств требуются источники постоянного тока мощностью от единиц до сотен ватт, которые обычно получают энергию от однофазной цепи переменного тока. Как правило, из первичного напряжения сети U1 с помощью трансформатора вырабатывают вторичное напряжения U2 требуемой величины, которое затем выпрямляют полупроводниковыми диодами. На рис. 3 приведена схема для исследования выпрямителя с активной нагрузкой и простым емкостным фильтром. Источником переменного напряжения для выпрямителя является трансформатор T, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки. Миллиамперметр в цепи тока нагрузки измеряет средневыпрямленное значение тока. Двухлучевой осциллограф позволяет наблюдать диаграммы входного переменного напряжения и выпрямленного выходного напряжения на нагрузке.
Если включен только один из диодов VD1 или VD2, то выпрямленный ток протекает только в одном полупериоде переменного напряжения; при использовании обоих диодов ток в нагрузку поступает в течение обоих полупериодов. При этом улучшается качество выпрямленного напряжения (уменьшаются его пульсации) и вдвое снижается средний ток через каждый диод.
Пиковое значение напряжения Umax на конденсаторе Сф меньше амплитуды U2m переменного напряжения на вторичной полуобмотке трансформатора Т на величину падения напряжения на диоде VD1 (или VD2) и сопротивлении R1 (R2). Эта разность составляет около 2 В (см. рис. 4).
Рис. 4. Диаграммы напряжений в однополупериодном выпрямителе
После запирания диода происходит разряд конденсатора Сф током нагрузки Iн. За время разряда tразр выходное напряжение снижается на величину
. (1)
Таким образом, амплитуда пульсаций составляет Uп.m = ΔU / 2, а среднее значение напряжения на выходе выпрямителя равно Uвых = Umax – ΔU / 2. Действующее значение напряжения пульсаций, которое показывает вольтметр переменного тока V3, в раз меньше амплитуды пульсаций, т.е. Uп = Uп.m / .
. (1)
раз меньше амплитуды пульсаций, т.е. Uп = Uп.m /