Идеален диод
Представянето на реален диод под формата на "идеален диод" е еквивалентно на модела на идеален вентил: напълно отворен (превключване напред), напълно затворен (превключване обратно). В затворено положение токът е нула за всяко отрицателно напрежение през диода; в отворено положение напрежението е нула за всеки ток. По този начин диференциалните съпротивления в затворено и отворено състояние са равни съответно на безкрайност и нула. На фиг.2.2. представени са ВАХ на „идеалния диод“ (удебелено) и неговите еквивалентни схеми в отворено и затворено състояние.
Такова представяне на реален диод често е удобно да се използва за анализиране на токоизправителни вериги с големи амплитуди на изправени напрежения, когато нелинейността на началния участък на предния клон на I–V характеристиката и наличието на малък обратен ток могат да бъдат пренебрегнати.
Нека разгледаме пример за работата на най-простата токоизправителна схема с "идеален диод" при хармонично входно напрежение и нулево DC отместване (фиг. 2.3). Стойността на съпротивлението на натоварване R, от което се отстранява ректифицираното напрежение, е много по-голямо от диференциалното съпротивление в отворено състояние на истински диод и по-малко от диференциалното съпротивление на затворен преход.
Нека , а амплитудата Em е такава, че можем да използваме модела "идеален диод". При положителни стойности на входното напрежение диодът има нулево диференциално съпротивление и токът във веригата е
и за отрицателни стойности на e(t), токът е нула. Осцилограмите на тока и напреженията във веригата са показани на фиг. 2.4.
Тъй като товарното напрежение R е несинусоидално, то може да бъде разширено в серия на Фурие по отношение на хармониците на честотата на входното напрежение. Изправеното напрежение е постоянна компонентанапрежение uR (t):
Фигура 2.4 показва, че напрежението на товара в никакъв случай не е постоянно, а пулсира спрямо постоянното напрежение UR,0.
При наличие на допълнително постоянно напрежение Ecm (bias), нивото на положителните и отрицателните напрежения на диода ще се промени, т.к. входното напрежение на токоизправителя ще бъде
Фигура 2.5 показва вълни на ток и напрежение за отрицателно отклонение. На фигурата положителните нива на сигнала са маркирани със щриховка.
Както можете да видите, обратното напрежение на диода тук се увеличи с размера на отклонението, а коригираното напрежение намаля не само поради намаляване на амплитудата на тока, но и поради намаляване на продължителността на токовите импулси.
В тази токоизправителна схема изходното напрежение не е постоянно, а има формата на пресечени косинусови импулси, което показва наличието на коригирани честотни хармоници на напрежението в спектъра на тока и напрежението. За да се намали амплитудата на хармониците върху товара на токоизправителя, са инсталирани специални нискочестотни филтри. Най-простата версия на такъв филтър е паралелна верига RC вместо единично съпротивление R (виж Фигура 2.6).
Стойността на капацитета се определя въз основа на дадения коефициент на потискане на амплитудата на първия хармоник, като най-голям в текущия спектър или от неравенството:
Когато това неравенство е изпълнено, директният компонент на тока протича през резистора R, а всички променливи компоненти през кондензатора C, тъй като неговата устойчивост на променливи токове ще бъде много по-малка от съпротивлението на резистора.
Възможно е да се разгледа работата на токоизправителя и във времевата област. Осцилограми на токове и напрежения в стационарно състояние са показани на фиг. 2.7, а входното и изходното напрежение са комбинирани тук на една и съща графика.
Напрежението на диода се определя от разликата между входното и изходното напрежение:
Изходното напрежение може да бъде представено като процеси на зареждане и разреждане на кондензатора C. При положителни напрежения на диода, съпротивлението на последното е нула (или малко в реален диод в директен режим), кондензаторът бързо (почти моментално) се зарежда до напрежение, приблизително равно на e (t1); в следващите моменти напрежението в диода става отрицателно, диодът се затваря и капацитетът бавно се разрежда чрез достатъчно голямо съпротивление R. При правилния избор на C и R времевата константа на разреждането на капацитета е много по-голяма от времевата константа на заряда, така че изходното напрежение почти не се променя по време на разреждане. В стационарно състояние изходното напрежение осцилира около някаква средна стойност Uout,0, близка по големина до амплитудата на входното напрежение. Ректифицираната пулсация на напрежението тук е много по-малка, отколкото във веригата без кондензатор.