2.2 Выпрямительный диод

Выпрямительным ПП диодом называется ПП предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток значительной величины и «малой» частоты. По конструкции выпрямительный диод содержит один p–n переход, который располагается в металлическом или керамическом корпусе, т.к. выпрямительные диоды предназначены для пропускания значительных токов (от долей ампер до десятков ампер), то поэтому p–n переход выпрямительного диода имеет плоскостную конструкцию. Следствием этого является значительная барьерная ёмкость p–n перехода, что ведёт к ограничению частоты пропускаемого тока через диод.

Вольтамперная характеристика диода (рис 1.10,а) повторяет В.А.Х. p–n перехода. На рис 1.10,б показано условное графическое обозначение выпрямительного диода и полярность напряжения при прямом включении диода.

Рисунок 1.10 – Вольтамперная характеристика диода (а),

графическое обозначение (б) и полярность прямого включения

Вывод диода, к которому подключается плюс прямого напряжения, называется анодом. Второй вывод диода называется катодом.

Основными электрическими параметрами выпрямительного диода являются следующие:

U_пр – прямое падение напряжения, это падение напряжения на диоде при прямом включении и заданном прямом токе;

U_обр – обратное напряжение, это максимальное значение обратного напряжения, при котором не происходит электрического пробоя;

I_пр.max – прямой ток диода, это величина максимально допустимого прямого тока через диод при постоянном прямом напряжении, при котором не происходит теплового пробоя p–n перехода;

I_пр.ср. – средний прямой ток, это допустимое среднее значение за период прямого тока диода;

С_д – общая ёмкость диода, это ёмкость между выводами диода при заданном напряжении, включающая барьерную ёмкость p–n перехода и паразитную ёмкость конструктивных элементов диода;

f_max – максимальная частота, это максимальное значение частоты, при которой диод сохраняет свойства однопроводности;

I_обр – обратный ток диода при обратном напряжении равном U_обр, это ток, при котором сохраняются его одно направленные свойства.

R_{д пр} – прямое сопротивление диода, это сопротивление диода при прямом включении, которое определяется отношением U_пр к I_пр.max и величина его составляет десятые доли Ом.

R_{д обр} – обратное сопротивление диода, это сопротивление диода при обратном включении, которое определяется отношением U_обр к I_обр и составляет сотни кОм.

Выпрямительные диоды изготовляются из кремния или германия. В зависимости от материала, из которого выполнены диоды, изменяются значения его электрических величин (Таблица 1).

Таблица 1 – Значения электрических величин диода

Материал диода Параметры	Кремний	Германий
Обратный ток	малый	большой
Обратное напряжение [B]	1000 ÷ 1500	100 ÷ 400
Рабочий температурный диапазон	-60˚С ÷ +50˚С	-60˚С ÷ +85˚С
Прямое падение напряжения	Больше	меньше
Прямое сопротивление	Больше	меньше

У выпрямительных диодов, имеющих плоскостную конструкцию, имеет место заметное увеличение обратного тока при повышении температуры. Обратный ток возрастает в 2 ÷ 2,5 раза при повышении температуры на каждые 10˚С.

Величина обратного тока через диод зависит от частоты, как и у p–n перехода. На рис 1.11 показано экспериментально полученная зависимость изменения величины обратного тока через диод при увеличении частоты. Видно, что до f=f_max обратный ток практически отсутствует и начинает значительно возрастать при f>f_max

Рисунок 1.11 – Зависимость величины обратного

тока диода от частоты

На рисунке 1.12,а представлена схема однополупериодного выпрямителя. На рисунке 1.12 б, в, г представлены осциллограммы напряжений и тока в выпрямителе.

На вход выпрямителя подаётся переменное напряжение u_вх (рисунок 1.12,б). В течение положительного полупериода к входным клеммам приложено напряжение полярностью, показанной без скобок. При этом диод находиться под прямым напряжением и через него будет протекать прямой ток (рисунок 1.12,в). Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной прямого сопротивления диода и сопротивлением нагрузки.

Протекающий ток создаёт падение напряжения на диоде и на нагрузке (рисунок 1.12,г). Так как прямое сопротивление диода на много меньше сопротивления нагрузки, то на диоде падение напряжения так же много меньше падения напряжения на нагрузке. При этом в каждый момент времени выполняется второй закон Кирхгофа:

u_вх = u_д+ u_н

Величина падения напряжения на диоде столь мала, что часто им пренебрегают при расчётах.

В течение отрицательного полупериода полярность напряжения на входе выпрямителя изменяется на противоположную (полярность в скобках). При этой полярности диод находится под обратным напряжением, и через него будет протекать ток малой величины, соответствующий величине обратного тока, и его величина будет определяться по формуле:

Рисунок 1.12 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) осциллограммы входного напряжения (б), тока через диод (в), напряжения на нагрузке и на диоде (г)

При этой полярности входного напряжения обратное сопротивление диода на много больше сопротивления нагрузки, что приводит к тому, что падение напряжения на диоде на много больше падения напряжения на нагрузке. Величина падения напряжения на нагрузке столь мала, что часто им пренебрегают при анализе схем.