Диоды и их применение

Сегодня в семейство диодов входит не один десяток полупроводниковых приборов, носящих название диод. Здесь речь пойдет лишь о некоторых приборах, с которыми тебе в первую очередь придется иметь дело.

Схематично диод можно представить, как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа р, а другая типа п. На рис. 74, а дырки, преобладающие в пластинке типа р, условно изображены кружками, а электроны, преобладающие в пластинке типа п черными шариками таких же размеров. Эти две области два электрода диода: анод и катод. Анодом, т. е. положительным электродом, является область типа р, а катодом, т.е. отрицательным электродом, область типа п. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Такой полупроводниковый прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к его электродам подключить источник постоянного тока, например, гальванический элемент, но так, чтобы его положительный полюс был соединен с анодом диода, т. е. с областью типа _ р, а отрицательный с катодом, т. е. с областью типа п (рис. 74,6), то диод окажется в открытом состоянии и в образовавшейся цепи пойдет ток, значение которого зависит от приложенного к нему напряжения и свойств диода. При такой полярности подключения батареи электроны в области типа п перемещаются от минуса к плюсу, т. е. в сторону области типа р, а дырки в области типа р движутся навстречу электронам от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно дырочным переходом или, короче, р n переходом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те, и другие при встрече прекращают свое существование. Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области типа п практически неограниченное количество электронов, пополняя убыль электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом элемента, может принять из области типа р такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок, в этом случае (Сопротивление р п перехода мало, вследствие чего через диод идет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р n перехода и напряжение источника питания, тем больше этот прямой ток.

Если полюсы элемента поменять местами, как это показано на рис. 74, в, диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды в диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р n перехода, электроны в области типа п будут перемещаться к положительному, а дырки в области типа р к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами электропроводности как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 74, в она заштрихована) и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода.

На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают I_пр , а обратный I_обр

А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления прямой ток I_пр и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления обратный ток I_обр Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в ток постоянный.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут U_пр) или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратным (пишут I_обр ) или непропускным. При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом. В этом нетрудно убедиться, если обратное сопротивление диода измерить омметром.

Внутреннее сопротивление открытого диода величина непостоянная и зависит от прямого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например, если через диод идет прямой ток I_пр = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1 В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = U/I = 1/0,1 = 10 Ом.

В закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико.

Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт амперной характеристикой диода. Такую характеристику ты видишь на рис. 75. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока I_пр а внизу обратного тока I_обр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения прямого напряжения U_пр влево обратного напряжения I_обр

На такой вольт амперной характеристике различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь, соответствующую обратному току. Из нее видно, что ток I_пр диода в сотни раз больше тока I_обр Так, например, уже при прямом напряжении

В ток I_пр равен 50 мА (точка а на характеристике), при U_пр = 1 В он

возрастает до 150 мА (точка б на характеристике), а при обратном напряжении U_обр = 100 В обратный ток I_обр не превышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитай, во сколько раз при одном и том же прямом и обратном напряжении прямой ток больше обратного.

Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь, как видишь, идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока недостаток диодов.

Примерно такие вольт амперные характеристики имеют все германиевые диоды. Вольт амперные характеристики кремниевых диодов чуть сдвинуты вправо. Объясняется это тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 0,2 В, а кремниевый при 0,5 0,6 В.

Прибор, на примере которого я рассказал тебе о свойствах диода, состоял из двух пластин полупроводников разной электропроводности, соединенных между собой плоскостями. Подобные диоды называют плоскостными. В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластину полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадратной пластины площадью 2 4 мм2 и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной электропроводностью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропроводности (рис. 76, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности, а между ними р п переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск (или стержень) с выводными проводниками.

Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых из них показан на рис. 76,6. Приборы заключены в цельнометаллические корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радиотехнических устройств.

Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает диод, цифры, следующие за нею, заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными диодами.

Конструированию блоков питания радиотехнических устройств будет посвящена специальная беседа одиннадцатая. Сейчас же я познакомлю тебя только с принципом преобразования переменного тока в ток постоянный.

Схему простейшего выпрямителя переменного тока ты видишь на рис. 77, а. На вход выпрямителя подается переменное напряжение электроосветительной сети. К выходу выпрямителя подключен резистор R_H, символизирующий нагрузку, питающуюся от выпрямителя. Функцию выпрямленного элемента выполняет диод V. Сущность работы такого выпрямителя иллюстрируют графики, помещенные на том же рисунке. При положительных полупериодах напряжения на аноде диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку, подключенную к выпрямителю, течет прямой ток диода I_пр При отрица

тельных полупериодах напряжения на аноде диод закрывается и во всей цепи, в которую он включен, течет незначительный обратный ток диода I_обр .Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на рис. 77, а показано штриховыми линиями). И вот результат: через нагрузку R_н , подключенную к сети через диод V, течет уже не переменный, а пульсирующий ток ток одного направления, но изменяющийся по значению с частотой 50 Гц. Это и есть выпрямление переменного тока. Таким образом, диод является прибором, обладающим резко выраженной односторонней проводимостью электрического тока. И если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных диодов не превышает малые доли миллиампера, можно считать, что диод является односторонним проводником тока.

Можно ли таким током питать нагрузку? Можно, он ведь выпрямленный.

Но не каждую. Лампу накаливания, например, можно, если, конечно, выходное напряжение не будет превышать то напряжение, на которое лампа рассчитана. Ее нить будет накаливаться не постоянно, а импульсами, следующими с частотой 50 Гц. Из за тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутки между импульсами, поэтому никаких мерцаний света мы не заметим.

А вот приемник питать таким током нельзя. Потому что в цепях его усилителей ток тоже будет пульсировать с такой же частотой. В результате в телефонах или головке громкоговорителя на выходе приемника будет прослушиваться гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Этот недостаток можно частично устранить, если на выходе выпрямителя параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор большой емкости, как это показано на рис. 77,6. Заряжаясь от импульсов тока, конденсатор Сф в момент спадания тока или его исчезновения (между импульсами) разряжается через нагрузку R_н Если конденсатор достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться и в нагрузке будет непрерывно поддерживаться ток. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на рис. 77,6 сплошной волнистой линией. Но и таким, несколько приглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель: он будет фонить, так как пульсации пока еще очень ощутимы.

В выпрямителе, с работой которого ты сейчас познакомился, полезно используется энергия только половины волн переменного тока. Такое выпрямление переменного тока называют однополупериодными, а выпрямители однополупериодными выпрямителями. Однако выпрямителям, построенным по таким схемам, . присущи два существенных недостатка. Первый из них заключается в том, что напряжение выпрямленного тока равно примерно напряжению сети, в то время как для питания транзисторных конструкций необходимо более низкое напряжение, а для ламповых часто более высокое напряжение. Второй недостаток недопустимость присоединения заземления к приемнику, питаемому от такого выпрямителя. Если приемник заземлить, ток из электросети пойдет через приемник в землю могут перегореть предохранители. Кроме того, приемник или усилитель, питаемые от такого выпрямителя и, таким образом, имеющие прямой контакт с электросетью, опасны можно получить электрический удар.

Оба эти недостатка устранены в выпрямителе с трансформатором (рис. 78). Здесь выпрямляется не напряжение электросети, а напряжение вторичной (II) обмотки сетевого трансформатора Т. Поскольку эта обмотка изолирована от первичной сетевой обмотки I, радиоконструкция не имеет контакта с сетью и к ней можно подключать заземление.

В выпрямителе на рис. 78 четыре диода, включенные по так называемой мостовой схеме. Диоды являются плечами выпрямительного моста. Нагрузка RH включена в диагональ 1 2 моста. В таком выпрямителе в течение каждого полупериода работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов. Следи внимательно ! Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки положительный полупериод напряжения, ток идет через диод V2, нагрузку RH, диод V3 к нижнему выводу обмотки II (график а). Диоды V1 и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем выводе обмотки II, ток идет через диод V4, нагрузку RH, диод V1 к верхнему выводу обмотки (график б). В это время диоды V2 и V3 закрыты и, естественно, ток через себя не пропускают. И вот результаты: меняются знаки напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двух полупериодными.

Эффективность работы двухполупе риодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным налицо: частота пульсаций выпрямленного тока удвоилась, провалы между импульсами уменьшились. Среднее значение напряжения постоянного тока на выходе такого выпрямителя равно примерно переменному напряжению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора. А если выпрямитель дополнить фильтром, сглаживающим пульсации выпрямленного тока, выходное напряжение увеличится в 1,4 раза, т.е. примерно на 40 %. Именно такой выпрямитель я позже буду рекомендовать тебе для питания транзисторных конструкций.

Теперь о точечном диоде.

Внешний вид одного из таких приборов и его устройство (в значительно увеличенном виде) показаны на рис. 79. Это диод серии Д9. Буква Д в его маркировке означает диод, а цифра 9 порядковый заводской номер конструкции. Такой или ему подобный диод, например Д2, тебе уже знаком я рекомендовал использовать его в твоем первом приемнике в качестве детектора. Выпрямительным элементом диода служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм2) пластина полупроводника германия или кремния типа п и вольфрамовая проволочка, упирающаяся острым концом в пластину. Они припаяны к отрезкам посеребренной проволоки длиной примерно по 50 мм, являющимися выводами диода. Вся конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов. После сборки диод формуют пропускают через контакт между пластиной полупроводника и острием вольфрамовой проволочки ток определенного значения. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной электропроводностью. Получается электронно дырочный переход, обладающий односторонней проводимостью тока. Пластина полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка анодом точечного диода.

Вывод анода диодов серии Д9 обозначают цветными метками на их корпусах. Электроды точечного диода серии Д2 обозначают символом диода на одном из его ленточных выводов. У точечного диода Площадь соприкосновения острия проволочки с поверхностью пластины полупроводника чрезвычайно мала не более 50 мкм2. Поэтому токи, которые точечные диоды могут выпрямлять в течение продолжительного времени, малы. Точечные диоды радиолюбители используют в основном для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами. О принципе работы точечного диода как детектора ты уже знаешь из четвертой беседы.

Как для плоскостных, так и для точечных диодов существуют максимально допустимые значения прямого и обратного токов, зависящие от прямого и обратного напряжений и определяющие их выпрямительные свойства и электрическую прочность. Это их основные параметры. Плоскостной диод Д226В, например, может продолжительное время выпрямлять ток до 300 мА. Но если его включить в цепь, потребляющую ток более 300 мА, он будет нагреваться, что неизбежно приведет к тепловому пробою р n перехода и выходу диода из строя. Диод будет пробит и в том случае, если он окажется в цепи, в которой на него будет подаваться обратное напряжение более чем 400 В. Допустимый выпрямленный ток для точечного диода Д9А 65 мА, а допустимое обратное напряжение 10 В. Основные параметры полупроводниковых диодов указывают в их паспортах и справочных таблицах. Превышение предельных значений приводит к выходу приборов из строя.

Основные параметры наиболее распространенных точечных и плоскостных полупроводниковых диодов ты найдешь в приложении 6.

А теперь, чтобы лучше закрепить в памяти твое представление о свойствах диодов, предлагаю провести такой опыт. В электрическую цепь, составленную из батареи 3336Л и лампочки накаливания, рассчитанной на напряжение 3,5 В и ток накала 0,28 А, включи любой плоскостной диод из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода был соединен непосредственно или через лампочку с положительным выводом батареи, а катод с отрицательным выводом (рис. 80, а). Лампочка должна гореть почти так же, как если бы диода не было в цепи. Измени порядок включения электродов диода в цепь на обратный (рис. 80,6). Теперь лампочка гореть не должна. А если горит, значит, диод оказался с пробитым р n переходом. Такой диод можно разломать, чтобы посмотреть, как он устроен, для работы как выпрямитель он все равно непригоден. Но, надеюсь, диод был хорошим и опыт удался.

Почему при первом включении диода в цепь лампочка горела, а при втором не горела? В первом случае диод был открыт, так как на него подавалось прямое напряжение U_пр , сопротивление диода было мало и через него протекал прямой ток I_пр, значение которого определялось нагрузкой цепи лампочкой. Во втором случае диод был закрыт, так как к нему прикладывалось обратное напряжение U_обр , равное напряжению батареи. Сопротивление диода было очень большое, и в цепи тек лишь незначительный обратный ток I_обр, который не мог накалить нить лампочки. В этом опыте лампочка выполняла двоякую функцию. Она, во первых, была индикатором наличия тока в цепи, а во вторых, ограничивала ток в цепи до 0,28 А и таким образом защищала диод от перегрузки.