Полупроводниковые приборы. Диод – Цифровая техника

April 22, 2015 by admin Комментировать »

Лет двадцать тому назад началось бурное развитие полупроводниковой промышленности, и в результате к настоящему времени полупроводниковые приборы практически полностью вытеснили электронные лампы из всего того, что объединяется словом «электроника». Лампы «выжили» только в высоковольтных (ни один из существующих полупроводников не работает при напряжении более 2000 В) и мощных (максимальная мощность рассеивания — не путать с коммутируемой мощностью! — для полупроводников не превышает 1000 Вт) цепях. Кроме того, некоторые лампы используются в устройствах сверхвысококачественного звуковоспроизведения (усилители класса Hi-End). Единственный недостаток электронных ламп — необходимость разогревания катода, на что тратится довольно большая мощность, поэтому КПД маломощных ламповых устройств не превышает нескольких десятков процентов и приближается к 70…80% у мощных устройств. Для проводниковых же устройств никакого предварительного разогрева не требуется — в процессе работы они сами греются (шутка, но в ней есть доля правды), — поэтому КПД для большинства полупроводниковых устройств при правильно разработанной схеме доходит до 100%.

Что же такое полупроводники? Задать этот вопрос гораздо легче, чем ответить на него так, чтобы ответ смогли понять люди, еще не успевшие побывать в высших учебных заведениях (именно на них и рассчитана эта книга), скорее всего, невозможно. Но я попытаюсь, авось кто поймет.

Как известно, на свете существует два вида веществ — проводники и изоляторы. Сопротивление проводников близко к нулю, а изоляторов — к бесконечности. Но резкой грани между этими двумя видами веществ нет, поэтому существуют также вещества, которые уже не проводники, но еще и не изоляторы (или наоборот), и их сопротивление находится где-то посередине между сопротивлениями проводников и изоляторов. Чтобы не «напрягаться» лишний раз, ломая голову над выяснением, проводник это или изолятор, такие вещества выделили в отдельный вид и назвали полупроводниками. Это «полупроводниковое» состояние вещества крайне неустойчиво, и под воздействием внешних факторов (ничтожные концентрации примесей — один атом примеси на миллиард атомов полупроводника; приложенное к полупроводнику электрическое напряжение; воздействие света, температуры) полупроводник легко переходит в проводник, в изолятор и обратно в полупроводник. Благодаря тому что на сопротивление полупроводника оказывает влияние, в том числе и электрическое напряжение, стало возможным усиливать и преобразовывать электрические сигналы, т. е. делать все то, что изучается наукой электроникой. А тот факт, что полупроводник может быть практически сколь угодно малых размеров (на одном кристалле полупроводника размером 5×5 мм можно «нарисовать» до десятка тысяч отдельных электронных приборов), позволил уменьшить ламповое устройство, занимающее целую комнату размером со стадион, до карманных размеров.

Чистые полупроводники (кремний, германий) в электронике используются очень редко. В большинстве приборов используются примесные полупроводники, т. е. в которые добавлено небольшое и очень точно рассчитанное количество определенной примеси. Сам процесс добавления примеси называется легирование, а примесные полупроводники — легированными. В зависимости от рода примеси получаются проводники с противоположными свойствами; их еще называют полупроводниками η-типа и p-типа. Если теперь оба эти полупроводника соединить, получится ток, называемый р-п-переход В большинстве полупроводниковых приборов все «военные действия» развиваются именно на р-п-переходе. Так как кремний (здесь и далее будет рассматриваться только кремний; но все то. что справедливо для него, справедливо и для всех остальных полупроводников) «живет» в 4-й группе Периодической системы Менделеева, то для легирования используются металлы, находящиеся в 3-й и 5-й группах. При добавлении ничтожного количества атомов (один атом примеси на миллиард атомов кремния) трехвалентной примеси в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния Три электрона кремния взаимодействуют с тремя электронами примеси, а четвертый, «кремниевый» электрон остается «неприкаянным» — ему не «хватило» одного электрона. Такой полупроводник называется дырочным или полупроводником р типа В нем основными носи гелями тока являются дырки, которые «притягивают» из внешней среды эпектроны, а не основными — электроны. Как известно, электрон — отрицательный носитель электрической энергии, т е. эпектрический ток — это упорядоченное движение электронов от отрицательного полюса батарей к попожитедьному, где эдекгроны «встречают ся» с дырками и рекомбинируют, т. р. соединяются с ними. Но также и электро ны, дырки тоже могут двигаться. В качестве наглядного примера этих процессов можно избрать очередь в кассу. Посде того как стоящий самым первым человек (электрон) распдачивается, он отходит и к кассе устремляется второй человек Сразу за ним образуется пустое место (дырка), в которую устремляется третий человек, и т. д. Таким образом, люди (электроны) движутся вперед, а пустые места (дырки) движутся назад. Единственное несовершенство очереди как наглядного примера — в ней дырки, дойдя до последнего человека, исчезают за его спиной. В полупроводнике ничто никуда не исчезает.

Рис. 1.7. На рисунке р-п-переход

Если в исходный полупроводник добавить элемент 4-й группы, то в нем появится избыток электронов, которым «некуда деваться». Такой полупроводник относится к п-типу.

Давайте теперь попытаемся соединить эти два полупроводника. Так как у одного из них недостаток электронов, а у другого — избыток, то электроны и дырки устремляются к границе между этими двумя полупроводниками (рис. 1.7). Встретившиеся электрон и дырка рекомбинируют, т. е. соединяются друг с другом. Процесс рекомбинации продолжается до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т. е. пока соотношение «количество электронов/количество дырок» не выравняется.

В результате у р-п-перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда. В p-области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей, связанными с кристаллической решеткой отрицательными ионами акцепторной примеси (т. е. элемента 3-й группы), а в п-области — положительными ионами донорной (в переводе — «дающей», элементы 5-й группы), и образующееся в результате рекомбинации электрическое поле (p-область заряжена отрицательно, п-область — положительно) противодействует дальнейшему перемещению электронов и дырок (p-область заряжается отрицательно, электрон — тоже имеет отрицательный заряд; одноименные заряды отталкиваются), т. е. наступает динамическое равновесие. Слой из рекомбинировавших электронов с дырками между двумя полупроводниками называется «р-п-переход», а разность потенциалов на р-п-переходе — потенциальным барьером. Для кремния он равен примерно 0,6 В, для германия меньше.

Во всех полупроводниках постоянно образуются и снова рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая некоторое количество не основных носителей тока (для р-области — электронов, для п-области — дырок). Находящиеся вблизи р-п-перехода не основные носители, прежде чем успеют рекомбинировать с основными для того типа полупроводника, в котором они «родились», могут попасть в электрическое поле потенциального барьера, «перескочить» на полупроводник противоположной проводимости (для него они будут «основными») и послужить тем самым причиной возникновения дрейфового тока (обратный ток). Так как «перескочивший» не основной носитель уменьшает потенциальный барьер, то для «компенсации» сразу же за ним основной носитель «идет с повинной» к р-п-переходу, где и рекомбинирует.

При увеличении температуры скорость образования электронно-дырочных пар увеличивается (поэтому они и называются «тепловыми»), увеличивается также и частота «перескакивания» не основных носителей. Из-за этого увеличивается обратный ток через р-п-переход. Измеряя его, можно электронным способом измерить температуры, т. е. р-п-переход — простейший датчик температуры.

Полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом называется диод. Отличительная особенность диода (благодаря наличию р-п-перехода) — он пропускает ток только в одном направлении — от η-области к p-области. Благодаря этому диоды нашли широкое применение в выпрямителях переменного напряжения.

Если к η-области диода (этот вывод называется «катод») приложить положительный потенциал относительно p-области (анода), то потенциальный барьер р-п-перехода будет расширяться, диффузионный ток основных носителей уменьшается до нуля, а дрейфовый ток будет возрастать, пока не достигнет насыщения. Дрейфовый ток неосновных носителей называется обратным током диода, и у современных кремниевых диодов он столь мал, что его практически невозможно измерить. Поэтому его можно не учитывать и приравнять к нулю.

При увеличении обратного напряжения на выводах р-п-перехода скорость неосновных носителей тока увеличивается сильнее, чем увеличивается ширина потенциального барьера. Поэтому при увеличении обратного напряжения дрейфовый ток не основных носителей увеличивается, следовательно, увеличивается и обратный ток диода. При превышении обратным напряжением некоторой величины не основные носители тока ускоряются так сильно, что начинают ионизировать атомы полупроводника в области потенциального барьера. Ионизированные атомы, на которые «развалилась» стройная кристаллическая решетка полупроводника, перестают препятствовать движению как основных, так и не основных носителей, поэтому обратный ток резко возрастает. Это напряжение называется напряжением пробоя, и для разных диодов оно находится в пределах 50…2000 В. При выборе диодов для выпрямителя нужно учитывать эту величину, так как «пробитый» диод — это то же самое, что замкнутый переключатель. А короткое замыкание обмоток трансформатора может наделать много бед.

Сам по себе электрический пробой безопасен, после уменьшения обратного напряжения все свойства диода очень быстро восстанавливаются. Опасен тепловой пробой, который следует за эпектрическим

Как известно, мощность определяется по формуле Р = U · I. При электрическом пробое обратное напряжение довольно велико, а обратный ток начинает резко увеличиваться. Следовательно, так же резко увеличивается и мощность, выделяемая на р-п-переходе. А чем больше выделяемая мощность, тем сильнее греется кристалл. Как только его температура повысится выше 150…20СГС, полупроводник утратит свои полупроводниковые свойства, т. е. «сгорит».

Многие полупроводниковые приборы работают в области электрического пробоя. Один из самых распространенных — диод с низким напряжением про

Рис. 1.8 Схемы включения стабилизатора боя, более известным под названием стабилитрон Напряжение проооя стабилитрона (напряжение стабилизации) нормируется и может быть в пределах 3…200 В. Схема включения стабилитрона и его вольт амперная характеристика приведены на рис. 1 8 Как видно из графика, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от протекающего через него тока Минимальный ток, при кото ром напряжение на выходе стабилизатора приближается к напряжению стаби лизации стабилитрона, называется минимальным током стабилизации (на графике обозначен как ICT mn, а максимальный ток, при котором гарантируется продолжительное бесперебойное функционирование стабилитрона — максимальным током стабилизации (ICT mjx). Эти параметры являются справочны ми, и их можно найти в специализированной литературе. Для большинства маломощных стабилитронов ICT min = 0,5…3 мА, a Icr. max= 10…20 мА.

Например, для входного напряжения UM = 12 В тока потребляемого нагрузкой 1н = 30 мА, напряжение стабилизации (выходное напряжение) UCT = 5,0 В ток, текущий через стабилитрон 1ст = 10 мА.

Мы только что рассмотрели работу диода при обратном смещении. Если же к η-области (катоду) приложить отрицательное относительно анода напряжение (прямое смещение), то поле внешнего источника питания будет направлено навстречу полю потенциального барьера. С увеличением напряжения прямого смещения потенциальный барьер снижается и далее исчезает, а диффузия подвижных носителей заряда через р-п-переход возрастает. Пересекающие этот переход основные носители становятся не основными и рекомбинируют с основными носителями области, в которую они попали. Из-за рекомбинации в этой области основных носителей становится слишком мало; «справедливость» восстанавливается с помощью источника питания. Таким образом, через р-п-переход течет ток, а благодаря тому, что потенциального барьера «нет», то этот ток довольно большой. Этот ток зовется прямым током или, по-научному, диффузионным, так как он поддерживается за счет диффузии подвижных носителей заряда через р-п-переход.

Благодаря наличию потенциального барьера при прямом включении диода на нем «падает» напряжение около 0,5…0,6 В, а из-за того, что кристалл кремния имеет некоторое электрическое сопротивление (10…100 Ом для маломощных диодов и 0,01…1 Ом — для мощных), то при увеличении протекаемого через диод тока падение напряжения на нем также увеличивается. В высоковольтных устройствах напряжение 1 В — «капля В море», но в низковольтных (напряжение питания до 3…6 В) падение напряжения на переходе диода нужно учитывать.

Также диоды можно использовать в качестве стабилитронов. При обратном включении диода его «напряжение стабилизации» довольно высоко (50…2000 В). К сожалению, оно не нормируется, поэтому даже у одинаковых диодов из одной партии оно может отличаться в несколько раз и поэтому предварительный подбор таких «стабилитронов» обязателен. При прямом включении диодов и стабилитронов падение напряжения на их переходе равно 0,5…0,6 В и, подключив последовательно несколько диодов, это напряжение можно увеличить в несколько раз.

Существуют также специальные диоды, именуемые стабисторами, у которых очень широкий потенциальный барьер и соответственно большое падение напряжения на переходе (0,6…2,5 В). Такие диоды используются в качестве низковольтных стабилитронов, так как технологически очень трудно изготовить стабилитроны с напряжением стабилизации менее 3 В.

Большинство схем, в которых используются диоды, — разнообразные выпрямители переменного тока, т. е. устройства, преобразующие переменный ток в постоянный. Схем выпрямителей известно очень много, и самые распространенные нарисованы на рис. 1.9.

Простейший выпрямитель, собранный на одном диоде, изображен на рис. 1.9, а. Здесь и далее диоды подключены к понижающей обмотке трансформатора, напряжение на которой примерно равно напряжению питания нагрузки. При описании схем все напряжения отсчитываются относительно нижнего вывода вторичной обмотки трансформатора или относительно общего провода.

При отрицательной полуволне напряжения на вторичной обмотке трансформатора (рис. 19, а) диод VD1 закрыт и ток в нагрузку не течет. При положительной полуволне (прямое смещение) диод открывается и в нагрузку начинает течь ток. То есть при таком включении диод «отсекает» отрицательные полупериоды, пропуская в нагрузку только положительные. Из-за этого напряжение в нагрузке сильно пульсирует. Для того чтобы сгладить эти пульсации, а также для того, чтобы оно не уменьшалось до нуля, на выходе выпрямителя устанавливают накопительный конденсатор большой емкости (примерно 1000 мкФ) (рис. 1.9, б) Благодаря накопительным свойствам конденсатора, напряжение на выходе выпрямителя принимает вид, показанный на диаграмме возле рисунка. Чем больше емкость конденсатора С1, тем сильнее эта кривая похожа на прямую линию. Иногда такой конденсатор называют фильтрующим, что тоже правильно.

Для того чтобы напряжение на выходе еще сильнее походило на постоянный ток. к выходу обычно подключают стабилизатор напряжения (рис. 1 9, в) по схеме, аналогично как на рис. 1.8. Стабилизатору, изображенному на рис. 1.9, в. в принципе все равно, куда подключен фильтрующий конденсатор — к выходу выпрямителя (верхняя схема) или параллельно стабилитрону (нижняя схема). В обоих случаях результат одинаковый, но большее распространение получила верхняя схема. Идеально, если вы используете два конденсатора, их ем-

Рис. 1.9. Использование диодов в качестве выпрямителей. Однополупериодные выпрямители: а — простейший: б — с фильтрующим конденсатором: в — со стабилизатором, г, д — двухполупериодные мостовые выпрямители. Источники питания с гасящим резистором: е — однополупериодный; ж — мостовой выпрямитель. Источники питания с гасящим конденсатором: и — однополупериодный: к — мостовой выпрямитель; л — аналог мощного стабилитрона, собранный на основе мощного биполярного транзистора и маломощного стабилитрона кость должна быть не меньше 470…1000 мкФ, в противном случае стабилизатор их попросту «не заметит».

Сопротивление резистора R1 нужно подобрать таким образом, чтобы при максимальной амплитуде положительной полуволны через стабилитрон протекал ток, близкий к максимальному току стабилизации (для большинства малогабаритных стабилитронов — около 15 мА). Но так как максимальную амплитуду измерить очень трудно, для расчетов обычно используют средневыпрямленное значение, т. е. напряжение на конденсаторе С1 в верхней схеме на рис. 1.9, в. Средневыпрямленное значение напряжения должно быть в 1,5…2 раза больше напряжения стабилизатора; для низковольтных устройств (и„ит £ 15 В) оно должно превышать его на 3…5 В.

Рассмотренный выше выпрямитель называется однополупериодным, так как через диод проходит ток в течение одного полупериода (на рисунках — положительного), а в Течение другого Оно поддерживается Только с помощью фильтрующего конденсатора. Поэтому такие стабилизаторы можно использовать только совместно с нечувствительными к пульсациям напряжения питания нагрузками. Для чувствительных к пульсациям питающего напряжения нагрузок выпрямители обычно изготавливают по более сложным двухполупериодным схемам, в которых выпрямленное напряжение на выходе появляется в течение обоих полупериодов переменного напряжения, и между двумя выпрямленными импульсами нет «пробела» длиной в полпериода.

Одна из разновидностей двухполупериодных выпрямителей так называемая мостовая схема (рис. 1.9, г). Соединенные по такой схеме четыре диода в кольцо в литературе называются диодным мостом (или диодным мостиком) и очень часто упрощенно изображаются так, как это показано на рис. 1.9, д. В случае упрощенного изображения точки в вершинах моста рисовать нельзя.

Как видно из рис. 1.9, г, во время положительной полуволны на верхнем выводе вторичной обмотки трансформатора (на нижней в это время отрицательная полуволна) ток к положительному выводу конденсатора С1 течет через диод VD2, а к общему проводу — через диод VD4. Диоды VD1 и VD3 при этом закрыты обратным напряжением, и протекающий через них ток близок к нулю. При уменьшении напряжения на обмотке трансформатора почти до нуля все четыре диода закрываются, а при смене полярности на обмотке трансформатора открываются диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 остаются закрытыми. Положительная и отрицательная полуволны переменного Напряжения снова текут туда, куда надо, и напряжение на выходе диодного мостика имеет вид, показанный на верхней диаграмме. Как видно, ппощадь «пробелов» у такого выпрямителя меньше, чем у однополупериодного, поэтому коэффициент пульсаций у него значительно меньше. Для еще большего уменьшения коэффициента пульсаций к выходу выпрямителя подключают электролитический конденсатор большой емкости. а также иногда и стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитронах или специализированных микросхемах.

Единственный недостаток трансформаторных источников питания — большие габариты трансформатора. Поэтому в малогабаритных устройствах, потребляющих ничтожный ток, часто используются бестрансформаторные источ ники питания — с гасящим резистором или конденсатором. Такие источники питания занимают очень мало места, но они «выдают» в нагрузку ничтожный ток, напряжение которого сильно зависит от тока нагрузки Кроме того, они не обеспечивают гальваническую развязку выходного напряжения от сетевого. Поэтому при случайном прикосновении к любой детали вас может «ударить» током.

Рассмотрим схемы выпрямителей с гасящим резистиром Они могут выполняться по однополупериодной (рис. 1.9, е) или мостовой (рис 1 9, ж) схемам. Самая простая схема — однопилупернодная, единственный в ней выпрямительный диод должен выдерживать обратное напряжение ϋ„ > 400 В Мостовая схема требует в 4 раза больше диодов, но они могут быть низковольтными (υ„< 50 В); такие диоды дешевле и доступнее высоковольтных, и у любого более-менее «подкованного» радиолюбителя их может скопиться «воз и маленькая тележка».

К выходу бестрансформаторного преобразователя всегда должна быть подключена нагрузка или хотя бы стабилитрон! Если они случайно «отключатся», то напряжение на фильтрующем конденсаторе резко повысится до напряжения, близкого к сетевому, и, если он не рассчитан на столь высокое напряжение (а так бывает почти всегда), его электролит может закипеть и взорваться. Не очень сильно — тротил внутрь конденсаторов не кладут, — но электролитом он заляпает все в радиусе десятка сантиметров.

Ток, протекающий через резистор R1 в нагрузку, в схеме по рис. 1.9, е можно вычислить по формуле:

j ;

При таком токе протекающий через стабилитрон ток равен нулю — весь ток «идет» в нагрузку. Если его увеличить, уменьшится UMrp. При расчетах нужно помнить, что минимальный ток, протекающий через стабилитрон, не должен быть меньше 0,5…3,0 мА, т. е. ток, который может «забрать» нагрузка от такого источника питания, равен

В схеме по рис. 1.9, ж ток нагрузки

Мощность рассеивания резисторов в обеих схемах можно вычислить по формуле]

Если перевести ток в амперы, а сопротивление в омы, то делить на тысячу не нужно. Но такой расчет не очень удобен — ведь I2 получается таким малым, что «не влезет» в восьмиразрядный микрокалькулятор.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность резистора должна превышать Ррас или хотя бы быть равной ей. Иначе резистор перегреется и «сгорит», особенно это касается работы устройства при плохой теплоотдаче или повышенной атмосферной температуре.

Схемы с гасящим конденсатором отличаются от схем с гасящим резистором тем, что исправный конденсатор, в отличие от резистора, абсолютно не греется при любом протекающем через него токе. Основной недостаток таких схем, сдерживающий их повсеместное применение, — высоковольтные конденсаторы имеют большие габариты, и чем больше емкость конденсатора (и соответственно ток нагрузки), тем больше его размеры. Также эта схема, как и большинство остальных бестрансформаторных источников питания, не обеспечивает гальваническую развязку.

Выпрямители в источниках питания с гасящим конденсатором бывают однополупериодными (рис. 1.9, и) и двухполупериодными (рис. 1.9, к). Из-за особенностей функционирования конденсатора однополупериодный выпрямитель требует использования двух выпрямительных диодов.

В схемах есть два «новых» резистора: токоограничивающий Rorp и разряжающий Rpa3p. Они необязательны — схема будет работать и без них, но их использование делает блок питания более безопасным в эксплуатации.

Перед включением источника питания в сеть конденсатор С1 разряжен и напряжение на его обкладках равно нулю. Во время «всовывания» вилки (штепселя) устройства в сеть на сетевых проводах может быть напряжение любой амплитуды, в том числе и отличающееся от нуля (имеется в виду мгновенное значение амплитуды). Внутреннее сопротивление разряженного, стремящегося зарядиться конденсатора очень мало (не превышает 1…10 Ом), выходное сопротивление сети — еще меньше. Конденсатор почти мгновенно заряжается до действующего в это время напряжения в сети; при этом через него протекает очень большой ток, способный повредить сам конденсатор, выпрямительные диоды и стабилитрон. Чтобы такое не произошло, в схему введен резистор Rorp небольшого сопротивления (50…100 Ом, 0,5 Вт). В момент включения он ограничивает протекающий через конденсатор ток, а в рабочем режиме не оказывает никакого влияния — его сопротивление в сотни раз меньше емкостного сопротивления конденсатора

После выключения устройства из сети на конденсаторе может остаться некоторое напряжение, а так как сопротивление между выводами вилки близко к бес конечности, оно на нем сохраняется довольно долго, и при случайном прикосно вении к выводам вилки конденсатор разрядится через кожу рук Чтобы источник питания перестал «биться током», конденсатор нужно закоротить резистором со противлением 100 кОм…1 МОм Его мощность также должна равняться 0,5 Вт Через такой резистор конденсатор разряжается до нупя за несколько секунд

Большинство авторов рекомендует использовать резисторы Rurp и Rp8Jp с мощ ностью рассеивания 0,5 Вт и более, аргументируя это тем, что при меньшей мощ ности у резистора может произойти пробои диэлектрика высоким напряжением, при этом его сопротивление уменьшится до нуля Однако, как показала моя прак тика, в подобных устройствах прекрасно работают резисторы с мощностью рас сеивания 0,125 Вт и более, при этом ни у одного резистора не пробило диэлек трик Но все таки лучше не экспериментировать и лишний раз «предохраниться»

Рассмотрим принцип действия однополупериодного выпрямителя (рис. 1.9, и). Допустим, что в момент включения устройства в сеть конденсатор С1 разряжен, а напряжение на фазовом выводе сети имеет максимальную положительную амплитуду. Конденсатор С1 очень быстро заряжается до сетевого напряжения по цепи Rorp — открытый диод VD2 — стабилитрон VD3 + разряженный конденсатор С2. Основной импульс тока принимают на себя резистор Ror|) и конденсатор С2 (если в это время на фазовом выводе действует отрицательная, а не положительная полуволна, то конденсатор С1 заряжается через резистор Rorp и диод VD1; диод VD2 в это время закрыт).

Теперь напряжение на фазовом выводе относительно нулевого начинает плавно уменьшаться по синусоидальному закону. Также плавно начинает разряжаться конденсатор С1 и через диод VD1 течет некоторый не очень большой ток. После того как напряжение на фазовом выводе уменьшится до минимального амплитудного значения, оно начнет плавно увеличиваться. Диод VD1 закроется (обратное смещение), a VD2 — откроется (прямое смещение), и заряженный отрицательно конденсатор (относительно правой по схеме — точке соединения с диодами — обкладки) начинает разряжаться, а после этого (после перехода сетевого напряжения через ноль) начинает заряжаться положительно. Все это время через диод VD2 в нагрузку течет ток, который, при небольшом напряжении на нагрузке, зависит только от емкости конденсатора. Этот ток можно вычислить по эмпирической формуле:

Эта формула справедлива только при напряжении на нагрузке меньше 30 В. При большом напряжении ток нагрузки при неизменной емкости конденсатора начинает резко уменьшаться: при напряжении, равном 65 В, ток нагрузки равен 0,7 от вычисленного значения, а при напряжении более 310 В он снижается до нуля (поэтому при обрыве нагрузке и стабилитрона конденсатор С2 зарядится именно до такого напряжения). Формулу для расчета тока нагрузки при большом напряжении мне вывести не удалось, а в литературе я ее не замечал. Поэтому, если напряжение нагрузки более 30 В, емкость гасящего конденсатора нужно определять экспериментально.

У двухполупериодного источника питания, при неизменной емкости гасящего конденсатора, ток нагрузки в 2 раза больше и равен;

В обоих формулах подразумевается, что напряжение сети равно 220 В, а частота — 50 Ги.

Эта формула справедлива при напряжении на нагрузке меньше 60 В. До 0,7 от своего максимального значения ток нагрузки уменьшается при напряжении около 130 В, а до нуля — при напряжении 310 В.

Напряжение пробоя гасящего конденсатора С1 при низковольтной нагрузке должно быть более 250 В, при высоковольтной — Uc, > 250 В + UHarp. Этот кон-

денсатор должен быть неполярным (пленочный) и рассчитан на работу в цепях переменного тока. Из отечественных в качестве гасящего лучше всего использовать конденсаторы типа К73-17.

Обратное напряжение выпрямительных диодов в обеих схемах должно быть больше либо равно напряжению питания нагрузки. Некоторые авторы (например, В. Банников в своей статье «Упрощенный расчет бестрансформаторного блока питания», опубликованной в журнале «Радиолюбитель» № 1 — 2, 1998) рекомендуют использовать только высоковольтные диоды, выдерживающие сетевое напряжение. Но, как видно из рис. 1.9, и, при отрицательной полярности сетевого напряжения конденсатор заряжается через открытый диод VD1 и обратное напряжение на диоде VD2 не превышает Un6pVD2= Uc2– UnpVDI, а при положительной полярности открыт диод VD2 и обратное напряжение на диоде VD1 равно: Uo6pVDi = Ucl + UnpVD2. То же самое происходит и в схеме на рис. 1.9, к. Низковольтные диоды дешевле, малогабаритнее и доступнее высоковольтных.

Как уже, наверное, заметил читатель, в некоторых схемах указана фазировка сетевых проводов (Ф — фаза и 0 — ноль). Соблюдать ее не обязательно, в любом случае схема будет одинаково хорошо работать. Но в случае несоблюдения фазировки вас может «ударить током», поэтому лучше не рисковать.

Стабилитрон во всех схемах бестрансформаторных источников питания должен выдерживать максимальный ток нагрузки (при отключении нагрузки весь ток течет через него) и должен быть «надежно» припаян к схеме. Если ток нагрузки превышает максимально допустимый ток стабилизации, то можно или собрать аналог стабилитрона на мощном транзисторе (рис. 1.9, л), или попросту при отключении нагрузки закорачивать Выводы стабилитрона. Бестрансформаторные источники питания, в отличие от трансформаторных, абсолютно нечувствительны к короткому замыканию, и ток, протекающий через гасящий элемент, практически не изменяется.

При работе с включенными устройствами, имеющими бестрансформаторный источник питания, во избежание поражения электрическим током нужно соблюдать повышенную осторожность.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты