Выпрямитель представляет собой плоскостной диод, спроектированный специально для выпрямление переменного тока. Он должен обладать очень низким сопротивлением для тока, протекающего в одном направлении и очень высоким сопротивлением - в другом направлении. Прямое и обратное сопротивление выпрямителя легко находятся из формулы вольт-амперной характеристики реального перехода:
, (6.1)
где Js - ток насыщения, множитель n обычно принимает значения между 1 (диффузионный ток) и 2 (рекомбинационный ток). Из формулы (6.1) можно определить прямое сопротивление на постоянном токе:
для V > 3kT/q, (6.2а)
также и динамическое сопротивление на переменном токе(малом сигнале): т.к. из (6.1) , то
[1] (6.2б)
Также можно определить обратные сопротивление на постоянном и переменном токе:
для çVç> 3kT/q (6.3a)
Из полученных выражений можно определить коэффициент выпрямления на постоянном токе RR/RF и на переменном токе rR/rF.
Переключение из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением происходит не мгновенно. На рисунке 6.1 приведена простейшая схема переключения диода и сопутствующие переходные процессы.
Через pn переход протекает ток IF. В момент времени t=0 ключ S мгновенно переводится в правое положение, и некоторое время t1 через переход протекает ток IR .Время переключения определяется как время t1+t2, в течение которого ток уменьшается до значения 0,1IR.
Рисунок 6.1 - Переходные процессы в pn переходе
a - простейшая схема переключения, б - изменение тока при переключении за время t1+t2, в - изменение напряжения, г - распределение носителей в различные моменты времени.
Выпрямители обычно обладают низкой скоростью переключения или обладают большой задержкой. Однако такая задержка, пропорциональная времени жизни неосновных носителей, не имеет значения при выпрямлении переменного тока с частотой 60 Гц.
Схема выпрямления представлена на рисунке 6.2
Рисунок 6.2 - Диодный мост - электрическая схема, предназначенная для преобразования переменного тока в пульсирующий
На вход (Input) схемы подаётся переменное напряжение (обычно, но не обязательно синусоидальное) (см. верхний график на рис.6.3). В каждый из полупериодов ток проходит только через 2 диода, 2 других — заперты:
В результате, на выходе (DC Output) получается напряжение, пульсирующее с частотой, вдвое большей частоты питающего напряжения (см: нижний график на рис. 6.3)
Рисунок 6.3 – Вид входного и выходных сигналов диодного моста
Для сглаживания пульсаций в схему диодного моста добавляют конденсатор и резистор, как показано на рисунке 6.4
Рисунок 6.4 - схема выпрямителя с фильтром из конденсатора
Для сохранения эффективного выпрямления на больших частотах следует существенно уменьшать время жизни неосновных носителей, например путём введения в полупроводник примесных центров (например золота), чей энергетический уровень расположен близко к середине запрещённой зоны кремния и представляет собой эффективный центр рекомбинации неосновных носителей.
Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80оС, кремниевые до 120-150оС, арсенид-галлиевые до 150оС.
Основные параметры выпрямительных диодов:
Uобр,макс –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;
Iвып,ср - средний выпрямленный ток;
Iпр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;
Uпр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;
Pср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
rдиф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.
, (6.1)
для V > 3kT/q, (6.2а)
, то
[1] (6.2б)
для çVç> 3kT/q (6.3a)
