На початковому етапі застосування площинних діодів германієвий діод отримав значний пріоритет у розвитку в порівнянні з іншими напівпровідниковими приладами. Ці діоди, однак, практично вийшли з ужитку з появою кремнієвих пристроїв. Кремнієвий діод продемонстрував більш високі якості при роботі з великими потужностями і при більш високих температурах. Крім того, кремнієві прилади мають істотно менший зворотний струм і у них можна зробити набагато вище робоча напруга. Однак германієвий площинний діод має один параметр, по яких він перевершує кращі кремнієві прилади: у нього низьке пряме падіння напруги. Конструктори і експериментатори жалкували про відхід у небуття германієвого діода всякий раз, коли стикалися з додатком, що вимагає низької прямого падіння напруги. Одним з таких випадків є випрямлення низьких напруг при високих значеннях струму. На щастя, кілька провідних напівпровідникових фірм продовжують виробництво германієвих приладів, насамперед потужних германієвих транзисторів. Відомо, що ці транзистори мають дуже низьку напругу насичення VmSAJ), Порядку 0,3 В навіть при токах вище 50 А. Тому цілком природно подумати щодо використання транзисторів для випрямлення.

Фірма Motorola Semiconductor Products досліджувала цю можливість і створила практичну схему, яка була синхронний випрямляч, показаний на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Схема двухполупериодного синхронного випрямляча. Тут використовується низька напруга насичення потужних германієвих транзисторів, щоб отримати високий к.к.д. при низьких або помірних напругах і великих токах. Motorola Semiconductor Products, Inc.

Серед практиків, навіть малодосвідчених, давно було відомо, що транзистори можна використовувати як діодів, поєднуючи колектор з базою. Але падіння напруги між колектором і емітером у транзистора в режимі насичення навіть нижче, ніж при використанні його як діода, коли колектор з’єднаний з базою. Тому, бажано використовувати це властивість транзистора для створення синхронного випрямляча. Цікаве порівняння зміни напруги синхронного випрямляча з випрямлячами, які використовують звичайні дифузійні діоди і діоди

Шотки, показано на рис. 16.2. Залежність к.к.д. від струму нафузки для трьох випрямлячів наведена на рис. 16.3. Зверніть увагу на надзвичайно низькі значення вихідних напруг. Випробування проводилися з 60-герцнимі прямокутними коливаннями, отриманими від інвертора.

Рис. 16.2. Залежність напруги на виході синхронного випрямляча від струму навантаження. Графіки дозволяють порівняти характеристику синхронного детектора з двухполуперіодним схемами з відведенням від середини обмотки, використовують діоди Шотки і звичайні дифузійні кремнієві діоди. У всіх випадках використовувався джерело прямокутних коливань з частотою 60 Гц. Motorola Semiconductor Products, Inc.

На скільки можна підвищити частоту, зберігаючи високий к.к.д. синхронного випрямляча, залежить певною мірою від використовуваних германієвих транзисторів, від того випрямляється синусоїдальна або прямокутне напругу і від характеру навантаження. Можливо, що труднощі пов’язані з накопиченням заряду можуть зустрітися вже при частоті вище 3 кГц. З іншого боку, оскільки потужні германієві транзистори успішно застосовуються в інвертора на набагато більш високих частотах, проблеми накопичення заряду можуть бути подолані або достатньою мірою вирішені з використанням методів, що дозволяють прискорити відгук у логічних схемах.

Діоди D1 та D2 (рис. 16.1) проводять тільки тоді, коли транзистори протягом короткого часу знаходяться в ненасиченому стані і легко можуть вийти з ладу, тому що виходять за межі області безпечної роботи. Такий режим роботи зазвичай є результатом впливу ємнісних навантажень. Діоди D3 і D4 також допомагають вирішенню цього завдання, сприяючи швидшому зменшенню напруги прямого зміщення на переході база-емітер.

Рис. 16.3. Залежність к.к.д. випрямляча від струму навантаження для трьох схем випрямлячів. Графіки дають порівняння синхронного детектування з двухполуперіодним схемами з відведенням від середини обмотки, що використовують діоди Шотки і звичайні дифузійні кремнієві діоди. У всіх випадках використовувався джерело прямокутних коливань з частотою 60 Гц. Motorola Semiconductor Products, Inc.

При підвищенні температури повітря до 80 ° С, к.к.д. випрямляча змінювався незначно. Були досліджені також однополуперіодні варіанти схеми. З урахуванням властивих такому випрямленню обмежень, параметри синхронного детектора були порівнянні з параметрами схеми, що використовує діоди Шотки і значно перевершували параметри однополупериодного випрямляча із звичайними дифузними діодами. Таким чином, синхронне детектування, що використовує германієві транзистори, продемонструвало свої переваги, коли необхідно випрямляти низькі напруги при великих струмах навантаження. Навантаженнями, що пред’являють такі вимоги, є логічні схеми ЕСЛ, І2Л, ТТЛ, ДТЛ, РТЛ і низьковольтні цифрові системи на МОП-транзисторах. Іншими пристроями, яким потрібні низькі напруги або великі струми, є термоелектричні холодильники і часто електромагнітні соленоїди. Крім того, є багато електрохімічних процесів, які пред’являють до джерел живлення аналогічні вимоги. Кращим рішенням може бути використання потужних МОП-транзисторів. Деякі з них мають дуже низьке падіння напруги між стоком і витоком навіть при високій частоті і високій температурі (компанія General Electric розробила 20-амперний транзистор спеціально для застосування в синхронних випрямлячах).

Підводні камені

Очевидно, що нерегульований джерело живлення може бути зовсім простим. Зазначалося також, що імпульсний стабілізатор з прохідним транзистором досить невимогливий до змін вхідної напруги і якістю фільтрації нестабілізованого постійної напруги. І все ж ці два пристрої доставили багато прикростей. Буває, що вхід імпульсного стабілізатора має від’ємне опір. Математично можна показати, що коливання викликані наявністю позитивного зворотного зв’язку, ударного збудження або негативного опору дуже схожі. Отже, довгі дроти між перемикачем і нестабілізованим джерелом часто можуть призводити до несподівано потужним радіочастотним коливань. По суті, ця конструкція виявляється високочастотним генератором, що працює в класі С; дроти грають роль довгої лінії або резонансного контуру. Той факт, що коливання є ненавмисними, не охороняє перемикаючий транзистор від руйнування. Застосування в нестабілізованому джерелі ZC-фільтрів є причиною появи інших режимів і частот коливань. Взагалі, якщо застосовується індуктивність, то в фільтрі повинен використовуватися конденсатор дуже великої місткості, щоб знизити опір резонансного контуру, що спостерігається з боку переключающего транзистора. Іноді хороші результати дає включення послідовно з конденсатором фільтра резистора з малим опором, щоб знизити добротність резонансної ланцюга. На щастя, часто в фільтрі можна обійтися без дроселя; це, крім того, корисно як щодо вартості, так і з точки зору габаритів.

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.