Диоды
Диод — это электрический элемент, позволяющий току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом. Наиболее распространенным типом диодов в современных схемах являются полупроводниковые диоды.
Схемотехническое обозначение диода показано на рисунке. Диод является однонаправленным устройством. Ток течет только в одном направлении, вдоль стрелки, соответствующей прямому смещению.
Катод, “полоса”, символа диода соответствует полупроводнику n-типа. Анод, “стрелка”, соответствует полупроводнику p-типа /
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
Если диод смещен в прямом направлении, как показано на рисунке 1, ток будет увеличиваться по мере увеличения напряжения от 0 В. В случае кремниевого диода ток начинает протекать, когда напряжение приближается к 0,6 В на рисунке. Когда напряжение превышает 0,6 В, ток значительно возрастает. Увеличение напряжения значительно выше 0,7 В может привести к достаточно большому току, чтобы разрушить диод. Прямое напряжение, VF, является характеристикой полупроводника: от 0,6 до 0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светодиодов. Прямой ток колеблется от нескольких мА для диодов с точечным контактом до 100 мА для малосигнальных диодов и до десятков или тысяч ампер для силовых диодов.
Рис. 1. ВАХ диода
Если диод смещен в обратном направлении, протекает только ток утечки. Это показано на рисунке слева от начала координат. Этот ток будет составлять всего 1 мкА для самых экстремальных условий для кремниевых диодов с малым сигналом. Этот ток не увеличивается заметно с увеличением обратного смещения до тех пор, пока диод не выйдет из строя. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод будет разрушен.
Однополупериодный выпрямитель
Простейшая схема выпрямителя — однополупериодный выпрямитель. Он позволяет только половине формы сигнала переменного тока проходить к нагрузке. Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 2.
На вход выпрямителя подается синусоидальное напряжение амплитудой 311, а на выходе мы наблюдаем напряжение — в виде серии «горбов», соответствующих положительным полупериодам входного напряжения.
Напряжение источника переменного напряжения составляет 311В вместо 220 вольт, поскольку в SPICE указывается амплитудное значение, а не эффективное, которое в корень из 2 раз больше.
Для большинства силовых приложений однополупериодного выпрямления недостаточно. Содержание гармоник в выходном сигнале выпрямителя очень велико и, следовательно, его трудно отфильтровать. Кроме того, источник переменного тока подает питание на нагрузку только в половине полных циклов, а это означает, что половина его мощности не используется.
Двухполупериодные выпрямители
Если нам нужно получить полное использование обоих полупериодов синусоиды, необходимо использовать другую схему выпрямителя. Такая схема называется двухполупериодным выпрямителем. Одной из возможных схем двухполупериодного выпрямителя является схема с отводом от середины, как показано на рисунке ниже.
Работу этой схемы легко понять. Рассмотрим положительный полупериод, когда полярность напряжения входного источника положительная. В это время ток пропускает верхний диод D1, а нижний диод D2 блокирует ток. Во время отрицательного полупериода ток проводит диод D2, а диод D1 ток блокирует.
Одним из недостатков этой схемы выпрямителя является необходимость трансформатора с вторичной обмоткой с отводом от середины. Если рассматриваемая схема должна обеспечивать большую мощность, размер и стоимость трансформатора будут значительными. Поэтому, выпрямители с центральным отводом используются только в маломощных устройствах.
Другая, более популярная схема двухполупериодного выпрямителя, построенная на основе мостовой конфигурации с четырьмя диодами. По понятным причинам такая схема называется двухполупериодным мостом.
В ней ток течет через два диода последовательно для обеих полярностей. Таким образом, в диодах теряется два диодных падения напряжения источника (0,7·2=1,4 В для Si). Это недостаток по сравнению со схемой с центральным отводом. Этот недостаток характерен только для источников питания с очень низким напряжением.
Напряжение пульсаций
Величина переменного напряжения, смешанного с выходным напряжением постоянного тока выпрямителя, называется напряжением пульсаций.
Поскольку целью является «чистый» постоянный ток, пульсации напряжения нежелательны. Если уровни мощности не слишком велики, можно использовать фильтрующие цепи для уменьшения пульсаций выходного напряжения.
На рисунке показана схема мостового выпрямителя в которой роль фильтра выполняет конденсатор C1.
диод Зенера (Стабилитрон)
Диод Зенера ведет себя точно так же, как обычный диод, пропускающий номинальный ток. Однако, в отличие от обычного диода, который при обратном смещении блокирует протекание тока, то есть катод становится более положительным, чем анод, как только обратное напряжение достигает заданного значения, стабилитрон начинает проводить в обратном направлении.
Стабилитроны используются в режиме «обратного смещения» или обратного пробоя, т.е. анод подключается к отрицательному источнику питания. Из приведенной выше кривой ВАХ видно, что стабилитрон имеет область в своих характеристиках обратного смещения почти постоянного отрицательного напряжения независимо от значения тока, протекающего через диод.
Это напряжение остается почти постоянным даже при больших изменениях тока, при этом ток стабилитрона остается между током пробоя I Z(min) и его максимальным номинальным током I Z(max) .
Это свойство стабилитрона может быть использована для регулирования или стабилизации напряжения в зависимости от изменений напряжения питания или тока нагрузки. Тот факт, что напряжение на стабилитроне в области пробоя почти постоянно, оказывается важной характеристикой стабилитрона, поскольку его можно использовать как регулятор напряжения.
Стабилитроны использe.ncz для получения стабилизированного выходного напряжения с низкими пульсациями при различных токах нагрузки. Пропуская небольшой ток через диод от источника напряжения через подходящий токоограничивающий резистор RS, стабилитрон будет проводить ток, достаточный для поддержания падения напряжения Vout .
Из изложенного ранее мы помним, что выходное напряжение постоянного тока однополупериодных или двухполупериодных выпрямителей содержит пульсации, наложенные на напряжение постоянного тока, и что по мере изменения значения тока нагрузки изменяется и среднее выходное напряжение. Подключив простую схему стабилитрона, как показано ниже, к выходу выпрямителя, можно получить стабильное выходное напряжение.
Прямоугольный сигнал
Стабилитроны, соединенные спиной к спине, можно использовать в качестве регулятора переменного тока, производящего то, что в шутку называют «генератором прямоугольных импульсов для бедняков». Используя эту схему, мы можем обрезать сигнал между положительным значением +5,4 В и отрицательным значением -5,4 В для стабилитрона 4,7 В.
Этот тип ограничителя довольно распространен для защиты электронной схемы от перенапряжения. Два стабилитрона обычно размещаются между входными клеммами источника питания, и во время нормальной работы один из стабилитронов выключен, и они не влияют на его работу. Однако, если величина входного напряжения превышает свой предел, стабилитрон включается и ограничивает вход для защиты цепи.