Режим нагрузки полупроводниковых диодов

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 U_VD и на дополнительном резисторе U_R. 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 U_VD = 0. При этом ток в цепи составит .

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

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

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 U_m×sinwt. Такой режим работы называется динамическим. Различают режим малого сигнала, при котором Е >> U_m×sinwt, и большого сигнала (Е £ U_m×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 U_m×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 –U_m до +U_m 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 r_пр, 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 r_Д, объёмного сопротивления p и n областей r_б, барьерной и диффузионной ёмкостей С_Б и С_Д, а также индуктивности и ёмкости выводов диода L_К и С_К (учитывается на частотах выше 30 МГц).

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

.

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 £ U_m×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?