В электронных схемах используется множество типов диодов. Некоторые из наиболее важных представлены в этом разделе.
Выпрямительные диоды (rectifier diode) применяются достаточно широко. Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Поскольку диод проводит ток только в одном направлении, через него проходит только половина цикла переменного тока. Диод можно использовать для подачи постоянного тока в простом зарядном устройстве для аккумуляторов (рис. 3-16). Вторичный аккумулятор можно заряжать, пропуская через него постоянный ток, противоположный по направлению току разряда. Выпрямитель проводит только тот ток (то направление тока), которое восстановит (зарядит) аккумулятор.
Обратите внимание на рис. 3-16, что диод подключён так, чтобы ток при зарядке был противоположен току при разрядке. Катод диода должен быть подключён к положительному выводу аккумулятора (вспомните старое обозначение вывода катода из предыдущей статьи). Ошибка в этом подключении может привести к разрядке аккумулятора или повреждению диода. Очень важно правильно подключать диоды.
Примечание. Еще раз обратите внимание, что на данной схеме (вверху) рисунка 3-16 показан прямой ток (поток электронов) зелеными стрелочками от отрицательной клеммы батареи к положительной. В этом режиме идет разрядка батареи. На схеме снизу батарея заряжается от источника переменного напряжения, при этом диод пропускает только ток, движущийся в указанном стрелочкой направлением. Это поток электронов. В реальных электрических схемах работают с условным (обычным) током, который указан в противоположном направлении.
D1 и D2 на рис. 3-17 называются направляющими диодами. В нормальном режиме основной источник питания обеспечивает нагрузку, при этом D1 включён, а D2 выключен. При включённом D1 напряжение на катодах составляет около +12,3 В, что означает, что D2 смещён в обратном направлении (его катод более положительный, чем анод). Если основной источник питания выходит из строя, D2 смещается в прямом направлении, и резервный источник питания обеспечивает ток нагрузки через D2.
Напряжение на нагрузке теперь меньше, чем при нормальной работе: около 11,3 В вместо 12,3 В.
Примечание: в данной схеме намного проще и удобнее оперировать условным (обычным) током. Такой ток протекает от положительной клеммы батареи через диод и нагрузку к общему проводу. При этом условный "треугольник" в обозначении диода указывает направление такого тока.
Обратите внимание, что короткое замыкание в основном источнике питания не повлияет на напряжение нагрузки, так как D1 смещён в обратном направлении.
Идеальный выпрямитель должен выключаться в момент, когда он смещён в обратном направлении. PN-переходные диоды не могут выключаться мгновенно. Когда диод проводит ток, вокруг перехода находится значительное количество дырок и электронов. Приложение обратного смещения не сразу выключит диод, так как требуется время, чтобы удалить эти носители от перехода и установить область обеднения. Этот эффект не является проблемой при выпрямлении низких частот, таких как 60 Гц. Однако он становится важным фактором в высокочастотных схемах. Барьерные диоды не нуждаются в очистке носителей от PN-перехода при выключении, что позволяет им выпрямлять частоты значительно выше 60 Гц.
Карбидокремниевые диоды доступны с временем восстановления в наносекундном диапазоне.
Некоторые металл-полупроводниковые устройства (компоненты) также могут выпрямлять ток. Такой тип устройств называется барьером. Диоды Шоттки (или барьерные диоды) используют N-тип кремниевого кристалла, соединённого с платиной. Этот барьер между полупроводником и металлом работает как диод и выключается гораздо быстрее, чем PN-переход. На рис. 3-18 показано схематическое обозначение диода Шоттки.
Когда диод Шоттки смещён в прямом направлении, электроны в N-типе катода должны получить энергию, чтобы преодолеть барьер и перейти к металлическому аноду. Из-за этого эффекта иногда используется термин диод с горячими носителями. Как только "горячие носители" достигают металла, они присоединяются к огромному количеству свободных электронов там и быстро отдают свою избыточную энергию. При приложении обратного смещения диод почти мгновенно перестаёт проводить ток, так как не требуется создавать область обеднения для блокировки тока. Время обратного восстановления PN-переходного диода может измеряться в микросекундах, тогда как у барьерного диода Шоттки оно измеряется в наносекундах. Электроны не могут вернуться через барьер, так как они потеряли избыточную энергию, необходимую для этого. Однако, если приложить более 50 В обратного смещения, электроны получат необходимую энергию, и барьер будет пробит и начнет проводить ток. Это ограничивает использование некоторых барьерных устройств в высоковольтных цепях. Другой барьерный диод на основе карбида кремния (SiC) известен своей высокой устойчивостью к обратному пробою. Некоторые SiC-диоды могут безопасно работать при напряжениях выше 1000 В. Диоды Шоттки требуют всего около 0,3 В прямого смещения для установления прямого тока. Они хорошо подходят для высокочастотных и низковольтных приложений. Они часто используются в импульсных источниках питания, которые рассматриваются в главе 15.
Диод может использоваться для поддержания постоянного напряжения. Это называется стабилизацией напряжения. Для этой цели используется специальный тип диода, называемый стабилитроном (zener diode, диод Зенера).
Характеристическая кривая (ВАХ) и обозначение стабилитрона показаны на рис. 3-19. Обозначение похоже на обозначение выпрямительного диода, за исключением того, что катод изображён в виде изогнутой линии, напоминающей букву Z. Стабилитроны изготавливаются для стабилизации напряжений от 3,3 до 200 В. Например, 1N4733 — это популярный стабилитрон на 5,1 В.
Важное отличие стабилитронов от выпрямительных диодов заключается в том, как они используются в электронных схемах. Пока стабилитроны работают в пределах своего нормального диапазона, их падение напряжения будет равно их номинальному напряжению плюс-минус небольшая погрешность. Они работают в обратном направлении в отличии от выпрямительного диода. В выпрямителе ток идёт от катода к аноду. Стабилитроны работают в режиме обратного пробоя и проводят ток от анода к катоду.
Изменение тока стабилитрона вызывает лишь небольшое изменение напряжения стабилитрона. Это хорошо видно на рис. 3-20(a). В пределах нормального рабочего диапазона напряжение стабилитрона остаётся достаточно стабильным.
На рис. 3-20(b) показано, как стабилитрон может использоваться для стабилизации напряжения. Токоограничивающий резистор включён для предотвращения чрезмерного тока через стабилитрон и его перегрева.
Стабилизированное выходное напряжение доступно на самом диоде. Обратите внимание, что ток течёт от анода к катоду. Стабилизаторы напряжения на стабилитронах подробно рассматриваются в главе 4.
Диоды могут использоваться как ограничители (clippers). Посмотрите на рисунок 3-21. Диод D1 ограничивает входной сигнал на уровне −0,6 В, а D2 — на уровне +0,6 В. Сигнал, который слишком мал для прямого смещения любого из диодов, не будет затронут диодами. Диоды имеют очень высокое сопротивление, когда они выключены (т.е. включены обратно и сигнал не проходит, либо сигнал слишком слабый в прямом направлении). Однако большой сигнал включит диоды, и они начнут проводить ток. Когда это происходит, избыточное напряжение сигнала падает на R1. Таким образом, общий размах выходного сигнала ограничен 1,2 В от пика до пика. Такой тип ограничения может использоваться, если сигнал становится слишком большим. Например, ограничители могут использоваться для предотвращения превышения аудиосигналами определённого уровня громкости.
На рис. 3-21 показано, что входной сигнал представляет собой синусоиду, но выходной сигнал больше похож на прямоугольный. Иногда ограничивающая схема используется для изменения формы сигнала. Третий способ использования ограничителей — удаление шумовых импульсов, наложенных на сигнал. Если шумовые импульсы превышают точки ограничения, они будут обрезаны или ограничены. В результате сигнал становится менее зашумлённым, чем исходный.
Диод D2 ограничивает положительную часть сигнала на рис. 3-21. Когда напряжение сигнала начинает увеличиваться с 0 В, сначала ничего не происходит. Затем, когда напряжение сигнала достигает 0,6 В, D2 включается и начинает проводить ток. Теперь его сопротивление значительно меньше сопротивления R1. Резистор R1 поглощает напряжение источника сигнала, превышающее 0,6 В. Позже начинается отрицательная полуволна. Когда сигнал впервые становится отрицательным, ничего не происходит. Когда он достигает −0,6 В, D1 включается. По мере того как D1 проводит ток, R1 поглощает напряжение сигнала, превышающее −0,6 В. Общий размах выходного сигнала составляет разницу между +0,6 В и −0,6 В, то есть 1,2 В от пика до пика. Если бы в схеме ограничителя использовались германиевые диоды, они включались бы при 0,3 В, и общий размах составил бы 0,6 В от пика до пика.
Примечание. Для тех, кто не понял смысл, поясняю: когда диод включен в прямом направлении, он работает как проводник практически без сопротивления и поэтому можно считать, что этот участок цепи (где установлен диод) фактически замкнут накоротко. И поэтому ток уже почти не проходит через резистор R2, а проходит через включенный диод. Резистор R1 нужен в качестве ограничителя тока, чтобы чрезмерно большой ток не сжег диод и сам источник напряжения. И еще: сопротивление резистора R2 считаем намного, намного больше, чем внутреннее сопротивление диода.
Точки ограничения можно изменить на более высокое напряжение, используя последовательно соединённые диоды. Рассмотрим рис. 3-22.
Для включения D3 и D4 потребуется 0,6 В + 0,6 В, то есть 1,2 В. Обратите внимание, что точка положительного ограничения теперь показана на графике на уровне +1,2 В. Аналогичным образом D1 и D2 включатся, когда сигнал достигнет −1,2 В. Выходной сигнал на рис. 3-21 ограничен общим размахом 2,4 В от пика до пика. Более высокие уровни ограничения можно получить с помощью стабилитронов, как показано на рис. 3-23(a).
Предположим, что D2 и D4 — это стабилитроны на 4,7 В. Положительная полуволна сигнала будет ограничена на уровне +5,3 В, так как для включения D4 требуется 4,7 В, а для включения D3 — ещё +0,6 В. Диоды D1 и D2 ограничивают отрицательную полуволну на уровне −5,3 В. Общий размах выходного сигнала на рис. 3-23(a) ограничен 10,6 В.
Когда стабилитрон смещён в прямом направлении, он имеет немного большее падение напряжения, чем выпрямительный диод (около 0,7 В). Поэтому схему на рис. 3-23(a) можно упростить, используя два стабилитрона, соединённых встречно, как показано на рис. 3-23(b).
Если ток течёт вверх, то нижний стабилитрон будет падать на 0,7 В, а верхний — на своё номинальное напряжение. Когда ток течёт вниз, верхний стабилитрон будет падать на 0,7 В, а нижний — на своё номинальное напряжение. Например, если в схеме используются два стабилитрона 1N4733 (на 5,1 В), общий размах выходного сигнала будет ограничен 5,1 + 0,7 = 5,8 В пикового напряжения, или 11,6 В от пика до пика.
Диоды также могут использоваться как защелки/фиксаторы (clamps) или восстановители постоянного тока (dc restorers) (см. рис. 3-24).
Источник сигнала генерирует переменное напряжение. График показывает, что выходной сигнал, появляющийся на резисторе, не является обычным переменным током. Он не имеет среднего значения 0 В. Его среднее значение составляет некоторое положительное напряжение. Такие сигналы часто встречаются в электронных схемах и говорят, что они имеют как переменную, так и постоянную составляющую. Откуда берётся постоянная составляющая? Диод создаёт её, заряжая конденсатор. Обратите внимание, что диод D на рис. 3-24 позволяет току заряда протекать в сторону левой обкладки конденсатора C. Этот ток создаёт избыток электронов на левой стороне конденсатора, что приводит к отрицательному заряду. Электроны уходят с правой пластины конденсатора, делая её положительной. Если время разряда цепи (T = R × C) велико по сравнению с периодом сигнала, конденсатор будет поддерживать постоянный заряд от цикла к циклу.
Пример 3-6. Рассчитаем время разряда для рис. 3-24, если конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ, резистор — сопротивление 10 кОм, а источник генерирует сигнал частотой 1 кГц. Найдём постоянную времени RC по формуле:
Вычислим период сигнала (генерируемого источником напряжения):
На рис. 3-25 показана эквивалентная схема. Она объясняет фиксацию, показывая, что заряженный конденсатор действует как батарея, включённая последовательно с источником переменного сигнала. Постоянное Напряжение на выходе батареи Vdc объясняет смещение вверх, показанное на графике.
Снова обратитесь к рис. 3-24. Обратите внимание, что на графике показано, что выходной сигнал опускается на 0,6 В ниже нулевой оси. Эта точка −0,6 В соответствует моменту, когда диод D включается и начинает проводить ток. Ток заряда кратковременно течёт один раз за каждый цикл, когда источник сигнала достигает своего максимального отрицательного напряжения.
На рис. 3-26 показано, что происходит, если диод перевёрнут. Ток заряда меняет направление, и конденсатор создаёт отрицательное напряжение на своей правой пластине. Обратите внимание, что на графике показано, что выходной сигнал имеет отрицательную постоянную составляющую. Эта схема называется отрицательным фиксатором.
Примечание: обратите внимание на то, что не только диод перевернут, но и конденсатор.
Фиксация иногда происходит, когда мы этого не хотим. Например, генератор сигналов часто используется для тестирования схем. Некоторые генераторы сигналов используют разделительный конденсатор между своей выходной схемой и выходным разъёмом. Если вы подключите такой генератор к несбалансированной нагрузке с диодом, которая позволяет заряду накапливаться на встроенном разделительном конденсаторе, могут возникнуть запутанные результаты. Образовавшийся постоянный заряд будет действовать последовательно с переменным сигналом и может изменить работу схемы. Для проверки наличия фиксации можно подключить вольтметр постоянного тока или осциллограф с возможностью измерения постоянного напряжения между землёй и выходным разъёмом.
На рис. 3-27 показано, как диоды иногда используются для предотвращения искрения и повреждения компонентов. Когда ток в катушке резко прерывается, на катушке возникает большая противоэлектродвижущая сила (ПЭДС). Это высокое напряжение может вызвать искрение и разрушить чувствительные устройства, такие как интегральные схемы и транзисторы. Обратите внимание, что на рис. 3-27(a) возникает искра, когда размыкается переключатель, включённый последовательно с катушкой реле. На рис. 3-27(b) параллельно катушке установлен защитный диод. Этот диод смещается в прямом направлении под действием ПЭДС. Диод безопасно разряжает катушку и предотвращает искрение или повреждение.