Рабочий режим диода

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рисунок 2.11, а). В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка – катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R_– и сопротивления нагрузочного резистора R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R _– у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и u. А для сопротивления R_н подобным уравнением является закон Ома:

i = u_R/R_н = (E – u)/R_н . (2.2)

 

а) б) в)

Рисунок 2.11 – Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и u, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления R_н – это уравнение первой степени относи­тельно i и u. Его графиком является прямая линия, называемая линией на­грузки. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При i = 0 из уравнения (2.2) получаем: Е – u = 0 или u = Е, что соответствует точке А на рисунке 2.11, б. А если u = 0, то i = E/R_н. Откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). Через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки Т дают решение поставленной задачи. Сле­дует отметить, что все остальные точки прямой АБ не соответствуют каким-либо рабочим режимам диода. Можно строить линию нагрузки по углу ее наклона α, поскольку R₀ = k ctg α Но это менее удобно, так как надо опреде­лять коэффициент k с учетом масшта­бов и находить угол α по его котан­генсу.

При построении линии нагрузки для сравнительно малых R_н точка Б окажется за пределами чертежа. В этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение U (рисунок 2.11, в) и от полученной точки В отложить ток, равный U/R_н (отрезок ВГ). Прямая, про­веденная через точки А и Г, будет линией нагрузки.

Цепь с последовательно соединен­ными диодом и линейным нагрузочным резистором R_н является нелинейной. Характеристику такой цепи, называемую рабочей характеристикой диода, т. е. гра­фик зависимости i = f (Е), можно полу­чить суммированием напряжений для характеристик диода и нагрузочного резистора R_н (рисунок 2.12). Характеристика резистора R_н выражает закон Ома i = u_R/R_н и является прямой линией, проходящей через начало координат.

Рисунок 2.12 – Построение рабочей характеристики для цепи, состоящей из последовательно соединенных диода и резистора нагрузки

Для построения этой прямой на график наносится точка, соответствующая про­извольному напряжению u_R и току u_R/R_н. Через эту точку и начало коор­динат проводится прямая. В предыду­щих построениях линия нагрузки не проходила через начало координат, по­тому что она выражала зависимость тока не от напряжения u_R, а от напря­жения на диоде u.

Рабочую характеристику цепи i = f (E) строим, складывая для несколь­ких значений тока i напряжения u и u_R, так как Е = u + u_R. Например, при токе 3мА имеем: u = 0,4 В и u_R = 0,5 В. Суммируя эти напряжения, получаем Е = 0,9В и соответствующую точку результирующей характеристики. Ана­логично находим другие точки, и через них проводим плавную кри­вую.

Свойства последовательной цепи зависят главным образом от свойств участка цепи, имеющего большее сопро­тивление. Поэтому чем больше сопро­тивление R_н, тем меньше нелинейность результирующей характеристики. Сле­дует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не де­лать, если R_н >>R _–. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно по формуле i » E/R_н.

Рассмотренные методы расчета по­стоянного напряжения Е можно при­менить для амплитудных или мгновен­ных значений, если анодный источник дает переменное напряжение.