Выпрямители переменного напряжения ЧАСТЬ2

Выпрямители переменного тока часть 1.

Частотные свойства выпрямителей тока

B области повышенных частот на распределение напряжений в цепочке полупроводниковых приборов начинают влиять также и емкостные свойства диодов. B этой связи для выравнивания резистивно-емкостных характеристик цепочки диодов используют резистивно-емкостные цепи, подключаемые параллельно диодам.

Для современной радиоэлектроники характерны низкие напряжения электропитания. Высокие потери в диодах выпрямителя даже при напряжениях в единицы вольт обуславливают заметное снижение коэффициента полезного действия вторичных источников питания.

Обращенный диод

Потери в низковольтных выпрямителях могут быть уменьшены за счет замены традиционных диодов диодами c барьером Шотки, имеющими уменьшенное прямое падение напряжения (0,1...0,4В) и время восстановления менее 200 нс. Последнее позволяет эффективно использовать их в низковольтных выпрямителях на сравнительно высоких частотах. Основным недостатком диодов c барьером Шотки следует считать их большой обратный ток. Другим выпрямительным элементом, решающим те же задачи, что и диод Шотки, является обращенный диод. Принцип действия обращенного диода близок к туннельному. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода имеет обычный вид ВАХ диода, а обратная ветвь формируется за счет туннельного эффекта, что приводит к резкому увеличению обратного тока при возрастании напряжения.

Если амплитуда выпрямляемого напряжения оказывается меньше прямого напряжения U_пр., то обращенный диод может выполнять функцию выпря мительного элемента c малыми потерями.

Экспериментальные вольт-амперные характеристики диодов: 1- обратная ветвь для GaAs обращенного диода 3И402И; 2- прямая ветвь для GaAs диода (светодиода оптрона АОД101А); 3- прямая ветвь Si-диода Д220Б

На рисунке показаны полученные экспериментально ВАХ диодов. Как видно, обращенный диод (при обратном включении) имеет меньшее падение напряжения по сравнению не только c диодом из того же материала (арсенида галлия). но и по сравнению c диодом из материала c более узкой запрещенной зоной (кремниевый диод). Приведенные кривые свидетельствуют о преимуществах обращенного диода при выпрямлении низких напряжений (менее 1В).

Обращенный диод имеет хорошие частотные свойства, так как y него отсутствует эффект накопления неосновных носителей заряда. ВАХ обращенного диода слабо зависит от температуры и от действия радиации; диод имеет малый уровень низкочастотного шума.

Транзисторные выпрямители тока

Как следует из ВАХ наиболее широко распространенных кремниевых диодов, они начинают проявлять свои выпрямительные свойства при напряжении более 500...600 мВ: по мере превышения этого порога ток на выходе выпрямителя начинает медленно возрастать.

В. А. Масловский предложил использовать в качестве более эффективных низковольтных выпрямителей инжекционные транзисторные элементы.

Полевой транзистор, впрочем, точно так же, как и биполярный, можно применить для двухполупериодного выпрямления. Если канал полевого транзистора рассматривать как вход устройства, а нагрузку подключить между затвором и общим проводом, то участки сток — затвор и исток — затвор будут выполнять функции двух высококачественных диодов.

В выпрямителе на последнем рисунке реализуется важное достоинство полевого транзистора: высокое сопротивление р-n перехода транзистора в закрытом состоянии (10⁸...10¹² Ом). Это позволяет использовать высокоомные сопротивления нагрузки и конденсаторы нагрузки относительно малой емкости. Для симметрирования схемы выпрямителя предназначен потенциометр R1. Для достижения коэффициента передачи выпрямителя, близкого к единице, необходимо, чтобы выполнялось условие: R_н>>R1.

Особенно перспективны для выпрямления сигналив полевые транзисторы c индуцированным каналом.

Микросхемы серий ТТП и КМОП в качестве выпрямителей тока

Микросхемы серий ТТП и КМОП, если подробно изучить их внутреннюю структуру и принципиальную схему составляющих элементов, можно представить в виде своеобразного диодного моста, состоящего из диодов VD1 — VD6 (следующий рисунок). Диоды, хотя и рассчитaны на малый ток и предназначены для защиты микросхем при неправильном подключении к источнику питания и защиты входных цепей от перегрузки по напряжению, отличаются хорошей воспроизводимостью свойств и способны работать до частот порядка сотен кГц и выше.

Разработчиками было предложено использовать КМОП-микросхемы для выпрямления переменного тока. На графике приведены экспериментальные кривые, характеризующие зависимость сопротивления диодов микросхем от величины приложенного напряжения. На рисунке легко также заметить, что входные и выходные цепи микросхемы отличаются по способу включения диодов. На следующем рисунке показана возможность встречного включения двух инверторов для создания полноценного диодного выпрямительного моста.