Kako radi ispravljačka dioda? Ispravljačke diode, diodni mostovi i njihova područja primjene. Osnovni parametri uređaja
Iako su sve diode ispravljači, termin se obično primjenjuje na uređaje namijenjene opskrbi strujom, kako bi se razlikovali od elemenata koji se koriste za male signalne krugove. Ispravljačka dioda velike snage koristi se za ispravljanje izmjenične struje s niskom frekvencijom napajanja od 50 Hz kada se velika snaga emitira tijekom opterećenja.
Karakteristike diode
Glavna zadaća diode je pretvaranje izmjeničnog napona u istosmjerni napon korištenjem u ispravljačkim mostovima. To omogućuje protok struje samo u jednom smjeru, održavajući opskrbu električnom energijom uključenom.
Princip rada ispravljačke diode nije teško razumjeti. Njegov element sastoji se od strukture koja se naziva pn spoj. Strana p-tipa naziva se anoda, a strana n-tipa katoda. Struja se s anode prenosi na katodu, dok je strujanje u suprotnom smjeru gotovo potpuno onemogućeno. Taj se fenomen naziva ravnanje. Pretvara izmjeničnu struju u jednosmjernu. Ova vrsta uređaja može podnijeti veću električnu energiju od običnih dioda, zbog čega se nazivaju velike snage. Sposobnost provođenja velikih količina struje može se klasificirati kao njihova glavna značajka.
Danas Najčešće se koriste silicijske diode. U usporedbi s elementima od germanija imaju veću spojnu površinu. Budući da germanij ima nisku otpornost na toplinu, većina poluvodiča izrađena je od silicija. Uređaji izrađeni od germanija imaju znatno niži dopušteni povratni napon i temperaturu spoja. Jedina prednost koju germanijska dioda ima u odnosu na silicij je niža vrijednost napona kada radi u prednaponu (VF (IO) = 0,3 ÷ 0,5 V za germanij i 0,7 ÷ 1,4 V za silicij).
Vrste i tehnički parametri ispravljača
Danas postoji mnogo različitih vrsta glačala za kosu. Obično se klasificiraju prema:
Najčešći tipovi su 1 A, 1,5 A, 3 A, 5 A i 6 A. Postoje i standardni uređaji s maksimalnom prosječnom ispravljenom strujom do 400 A. Prolazni napon može varirati od 1,1 mV do 1,3 kV.
karakteriziraju sljedeće dopuštene granice:
Primjer elementa visokih performansi je 2x30A Dual High Current Rectifier Diode, koji je najprikladniji za bazne stanice, zavarivače, AC/DC izvore napajanja i industrijske primjene.
Vrijednost aplikacije
Kao najjednostavnija poluvodička komponenta, ova vrsta dioda ima široku primjenu u modernim elektroničkim sustavima. Razni elektronički i električni sklopovi koriste ovu komponentu kao važan uređaj za postizanje traženog rezultata. Opseg primjene ispravljačkih mostova i dioda je širok. Evo nekoliko takvih primjera:
- pretvaranje izmjenične struje u istosmjerni napon;
- izolacija signala iz napajanja;
- referentni napon;
- kontrola veličine signala;
- miješanje signala;
- detekcijski signali;
- sustavi rasvjete;
- laseri.
Ispravljačke diode vitalne su komponente izvora napajanja. Koriste se za regulaciju snage u računalima i automobilima, a mogu se koristiti i u punjačima baterija i računalnim napajanjima.
Osim toga, često se koriste iu druge svrhe (na primjer, u detektoru radio prijamnika za radio modulaciju). Varijanta diode s Schottky barijerom posebno je cijenjena u digitalnoj elektronici. Raspon radne temperature od -40 do +175 °C omogućuje korištenje ovih uređaja u svim uvjetima.
Poluvodičke diode i njihove karakteristike
Dioda je poluvodički element koji se sastoji od jednog - prijelaz i ima dva izvoda: anodu i katodu. Poluvodičke diode su vrlo brojne, a jedna od glavnih klasifikacijskih značajki je njihova namjena, koja je povezana s korištenjem određenog fenomena u - tranzicija.
Pozivaju se diode dizajnirane za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu ispravljajući. D Za njih je glavni učinak ventila (veliki omjer struje naprijed i obrnuto), ali ne postoje strogi zahtjevi za karakteristike vremena i frekvencije. Dizajnirani su za značajne struje i imaju veliko područje - tranzicija. U pravim diodama u pravilu se koriste asimetrične diode. - prijelazi. Kod takvih prijelaza jedno od područja kristala (područje s većom koncentracijom većinskih nositelja) obično ima dosta niski otpor, a drugo visokootpor. Područje niskog otpora dominantan je izvor mobilnih nositelja naboja, a struja kroz diodu kada je spoj izravno uključen gotovo je u potpunosti određena protokom njegovih većinskih nositelja. Stoga se niskootporno područje diodnog poluvodičkog kristala naziva emiter. Razlika u koncentraciji glavnih nositelja naboja također utječe na mjesto - prijelaz na granici područja s različitim tipovima električne vodljivosti. Zbog veće koncentracije nositelja u području niskog otpora (kao što je gore navedeno), širina - u njemu je manji prijelaz nego u visokootpornom. Ako je razlika u koncentraciji glavnih nositelja velika, tada - Prijelaz će se gotovo u potpunosti nalaziti u području visokog otpora, koje se naziva baza.
Strujno-naponske karakteristike realnih dioda i - prijelazi su blizu jedan drugome, ali nisu identični (slika 1.6). Razlike se uočavaju i na prednjoj i na obrnutoj grani. To se objašnjava činjenicom da se pri analizi procesa u spoju ne uzimaju u obzir niti dimenzije kristala i spoja, niti otpor slojeva poluvodiča uz spoj. Prisutnost u kristalu poluvodiča baze visokog otpora, koja je karakterizirana otporom, dovodi do dodatnog pada napona, zbog čega izravna grana diode prolazi niže nego u spoju. Reverzna grana strujno-naponske karakteristike diode niža je od idealnog spoja, jer Struja curenja duž površine kristala dodaje se struji zasićenja.
Slika 1.6 - Simbol za diodu (a);
strujno-naponske karakteristike (v):
1 - idealno - prijelaz, 2 – realna dioda
Diode mogu biti izrađene od germanija ili silicija; njihove strujno-naponske karakteristike imaju značajne razlike (slika 1.7)
Slika 1.7 - Strujno-naponska karakteristika germanija (1),
silicijske (2) diode
Pomak prednje grane karakteristike ulijevo nastaje zbog razlike u veličini potencijalne barijere, a položaj obrnute grane određen je razlikom u koncentracijama manjinskih nositelja, koji ovise o zabranjenom pojasu poluvodiča.
Vrsta strujno-naponske karakteristike ovisi o temperaturi poluvodičkog kristala (slika 1.8).
Slika 1.8 - Ovisnost vrste strujno-naponske karakteristike diode o temperaturi
Kako se temperatura povećava, pad napona na diodi smanjuje se uz konstantnu struju. Prolazni napon se mijenja za 2,1 mV s promjenom temperature od 1ºC.
Reverzna struja se povećava s povećanjem temperature dva puta kada se temperatura promijeni za 10ºC za germanijske diode i tri puta za silicijske diode, međutim, treba uzeti u obzir da je reverzna struja silicijevih dioda tri reda veličine manja od one germanijske diode.
Trenutno se najviše koriste silicijske ispravljačke diode koje imaju sljedeće prednosti:
Višestruko manje (u usporedbi s germanijem) reverzne struje pri istom naponu; visoka vrijednost dopuštenog obrnutog napona, koja doseže 1000 ... 1500 V, dok je za germanijeve diode u rasponu od 100 ... 400 W;
Performanse silicijskih dioda održavaju se na temperaturama od -60 do +150 °S, germanij - samo od -60 do +85 °C (pri temperaturama iznad 85 °C dolazi do naglog povećanja toplinske generacije u germaniju, što povećava povratnu struju i može dovesti do toga da dioda izgubi svojstva ventila).
Međutim, u ispravljačkim uređajima niskih napona i velikih struja isplativije je koristiti germanijeve diode, budući da je njihov otpor u smjeru prema naprijed 1,5 ... 2 puta manji od otpora silicijskih dioda pri istoj struji opterećenja, što smanjuje snaga raspršena unutar diode.
Glavni parametri ispravljačkih dioda:
najveći dopušteni povratni napon dioda - vrijednost napona primijenjenog u obrnutom smjeru koju dioda može izdržati dulje vrijeme bez utjecaja na njezin rad;
prosječna ispravljena struja dioda - prosječna vrijednost ispravljene struje koja teče kroz diodu tijekom razdoblja;
impulsna istosmjerna struja dioda - vršna vrijednost strujnog impulsa pri zadanom maksimalnom trajanju, radnom ciklusu i obliku impulsa;
prosječna povratna struja dioda - prosječna vrijednost obrnute struje tijekom razdoblja;
prosječni prednji napon dioda pri zadanoj prosječnoj vrijednosti prednje struje;
prosječna disipacija snage dioda - prosječna snaga tijekom perioda koju rasipa dioda kada struja teče u smjeru naprijed i nazad;
diferencijalni otpor dioda - omjer povećanja napona na diodi prema malom porastu struje koji ga je uzrokovao.
Glavna svrha ispravljačkih dioda je pretvorba napona. Ali to nije jedino područje primjene ovih poluvodičkih elemenata. Ugrađuju se u sklopne i upravljačke krugove, koriste se u kaskadnim generatorima itd. Radioamateri početnici bit će zainteresirani saznati strukturu ovih poluvodičkih elemenata, kao i njihov princip rada. Počnimo s općim karakteristikama.
Značajke uređaja i dizajna
Glavni strukturni element je poluvodič. Ovo je pločica od kristala silicija ili germanija, koja ima dva područja p i n vodljivosti. Zbog ove karakteristike dizajna, naziva se planarnim.
Pri proizvodnji poluvodiča kristal se obrađuje na sljedeći način: da bi se dobila površina p-tipa, tretira se rastaljenim fosforom, a za površinu p-tipa tretira se borom, indijem ili aluminijem. Tijekom toplinske obrade dolazi do difuzije ovih materijala i kristala. Kao rezultat, između dviju površina različite električne vodljivosti nastaje područje s p-n spojem. Ovako dobiveni poluvodič ugrađuje se u kućište. Time se kristal štiti od vanjskih utjecaja i pospješuje odvođenje topline.
Oznake:
- A – katodni izlaz.
- B – držač kristala (zavaren za tijelo).
- C – kristal n-tipa.
- D – kristal p-tipa.
- E – žica koja vodi do priključka anode.
- F – izolator.
- G – tijelo.
- H – izlaz anode.
Kao što je već spomenuto, kao osnova za p-n spoj koriste se kristali silicija ili germanija. Prvi se koriste mnogo češće, to je zbog činjenice da su u elementima germanija povratne struje mnogo veće, što značajno ograničava dopušteni povratni napon (ne prelazi 400 V). Dok za silicijske poluvodiče ova karakteristika može doseći i do 1500 V.
Osim toga, germanijski elementi imaju znatno uži raspon radnih temperatura, varira od -60°C do 85°C. Kada se prekorači gornji temperaturni prag, reverzna struja naglo raste, što negativno utječe na učinkovitost uređaja. Za silicijske poluvodiče, gornji prag je oko 125°C-150°C.
Klasifikacija snage
Snaga elemenata određena je najvećom dopuštenom istosmjernom strujom. U skladu s ovom karakteristikom, usvojena je sljedeća klasifikacija:
Popis glavnih karakteristika
Ispod je tablica koja opisuje glavne parametre ispravljačkih dioda. Ove karakteristike mogu se dobiti iz podatkovne tablice (tehnički opis elementa). U pravilu se većina radioamatera obraća ovim informacijama u slučajevima kada element naveden na dijagramu nije dostupan, što zahtijeva pronalaženje odgovarajućeg analoga za njega.
Imajte na umu da će u većini slučajeva, ako trebate pronaći analog određene diode, prvih pet parametara iz tablice biti sasvim dovoljno. U ovom slučaju, preporučljivo je uzeti u obzir raspon radne temperature elementa i frekvencije.
Princip rada
Princip rada ispravljačkih dioda najlakše je objasniti na primjeru. Da bismo to učinili, simuliramo krug jednostavnog poluvalnog ispravljača (vidi 1 na slici 6), u kojem snaga dolazi iz izvora izmjenične struje s naponom U IN (grafikon 2) i ide kroz VD do opterećenja R.
Riža. 6. Princip rada jednodiodnog ispravljača Tijekom pozitivnog poluciklusa, dioda je u otvorenom položaju i kroz nju prolazi struja do opterećenja. Kada dođe na red negativni poluciklus, uređaj je zaključan i opterećenje se ne napaja. To jest, postoji neka vrsta odsijecanja negativnog poluvala (zapravo, to nije sasvim točno, jer tijekom ovog procesa uvijek postoji obrnuta struja, njezina vrijednost određena je karakteristikom I arr.).
Kao rezultat toga, kao što se može vidjeti iz grafikona (3), na izlazu dobivamo impulse koji se sastoje od pozitivnih poluciklusa, odnosno istosmjerne struje. Ovo je princip rada ispravljačkih poluvodičkih elemenata.
Imajte na umu da je impulsni napon na izlazu takvog ispravljača prikladan samo za napajanje tihih opterećenja, primjer bi bio punjač za kiselinsku bateriju svjetiljke. U praksi ovu shemu koriste samo kineski proizvođači kako bi što više smanjili troškove svojih proizvoda. Zapravo, jednostavnost dizajna je njegov jedini pol.
Nedostaci jednodiodnog ispravljača uključuju:
- Niska razina učinkovitosti, budući da su negativni poluciklusi odsječeni, učinkovitost uređaja ne prelazi 50%.
- Izlazni napon je otprilike upola manji od ulaznog.
- Visoka razina buke, koja se manifestira u obliku karakterističnog zujanja na frekvenciji opskrbne mreže. Njegov razlog je asimetrična demagnetizacija silaznog transformatora (zapravo, zato je za takve sklopove bolje koristiti prigušni kondenzator, koji također ima svoje negativne strane).
Imajte na umu da se ti nedostaci mogu donekle smanjiti; da biste to učinili, dovoljno je napraviti jednostavan filtar na bazi elektrolita velikog kapaciteta (1 na slici 7).
Riža. 7. Čak i jednostavan filter može značajno smanjiti valovitost Princip rada takvog filtera je prilično jednostavan. Elektrolit se puni tijekom pozitivnog poluciklusa i prazni kada nastupi negativni poluciklus. Kapacitet mora biti dovoljan za održavanje napona na opterećenju. U tom slučaju, impulsi će biti donekle izglađeni, otprilike kao što je prikazano na grafikonu (2).
Gornje rješenje će donekle popraviti situaciju, ali ne puno, ako napajate, primjerice, aktivne računalne zvučnike iz takvog poluvalnog ispravljača, u njima će se čuti karakteristična pozadina. Da bi se riješio problem, bit će potrebno radikalnije rješenje, naime diodni most. Pogledajmo princip rada ovog kruga.
Dizajn i princip rada diodnog mosta
Značajna razlika između takvog kruga (od poluvalnog kruga) je da se napon dovodi do opterećenja u svakom poluciklusu. Dijagram strujnog kruga za spajanje elemenata poluvodičkog ispravljača prikazan je u nastavku.
Kao što se može vidjeti na gornjoj slici, krug koristi četiri poluvodička ispravljačka elementa, koji su povezani na način da samo dva od njih rade tijekom svakog poluciklusa. Opišimo detaljno kako se proces odvija:
- Krug prima izmjenični napon Uin (2 na sl. 8). Tijekom pozitivnog poluciklusa formira se sljedeći krug: VD4 – R – VD2. Prema tome, VD1 i VD3 su u zaključanom položaju.
- Kada se pojavi slijed negativnog poluciklusa, zbog promjene polariteta, formira se krug: VD1 – R – VD3. U ovom trenutku, VD4 i VD2 su zaključani.
- Sljedeće razdoblje ciklus se ponavlja.
Kao što je vidljivo iz rezultata (grafikon 3), oba poluciklusa su uključena u proces i bez obzira kako se mijenja ulazni napon, on teče kroz opterećenje u jednom smjeru. Ovaj princip rada ispravljača naziva se punovalni. Njegove su prednosti očite, navodimo ih:
- Budući da su oba poluciklusa uključena u rad, učinkovitost se značajno povećava (gotovo dvostruko).
- Valovitost na izlazu premosnog kruga također udvostručuje frekvenciju (u usporedbi s poluvalnim rješenjem).
- Kao što se može vidjeti iz grafikona (3), razina padova se smanjuje između impulsa, pa će filtru biti puno lakše izgladiti ih.
- Napon na izlazu ispravljača približno je isti kao i na ulazu.
Smetnje iz premosnog kruga su zanemarive, a postaju još manje kada se koristi filtarski elektrolitski kapacitet. Zahvaljujući tome, ovo se rješenje može koristiti u napajanjima za gotovo sve radioamaterske dizajne, uključujući one koji koriste osjetljivu elektroniku.
Imajte na umu da uopće nije potrebno koristiti četiri poluvodička elementa ispravljača, dovoljno je uzeti gotov sklop u plastičnom kućištu.
Ovo kućište ima četiri pina, dva za ulaz i isti broj za izlaz. Noge na koje se spaja izmjenični napon označene su znakom “~” ili slovima “AC”. Na izlazu je pozitivna noga označena simbolom "+", odnosno negativna noga je označena sa "-".
Na shematskom dijagramu takav se sklop obično označava u obliku romba, s grafičkim prikazom diode koja se nalazi unutra.
Na pitanje je li bolje koristiti sklop ili pojedinačne diode ne može se nedvosmisleno odgovoriti. Među njima nema razlike u funkcionalnosti. Ali sklop je kompaktniji. S druge strane, ako ne uspije, pomoći će samo potpuna zamjena. Ako se u ovom slučaju koriste pojedinačni elementi, dovoljno je zamijeniti pokvarenu ispravljačku diodu.
Poznata čak i nestručnjacima, ispravljačka dioda je posebna vrsta uređaja na bazi poluvodiča koji se koristi za dobivanje konstantnih napona iz početnih potencijala s promjenjivim parametrima. Proizvodi ove klase pripadaju dvoelektrodnim uređajima s jednosmjernom vodljivošću, što osigurava njihov ispravljački učinak (vidi sliku ispod).
Diodni ispravljači izgrađeni na temelju ovih elemenata naširoko se koriste u elektrotehnici iu modernim elektroničkim proizvodima. Najčešće se ispravljačke diode koriste kao jednostavna jednostruka vrata ili kao dio složenijih premosnih sklopova.
Princip ravnanja
Svaki uređaj za ispravljanje ima dva priključka ili elektrode, koje se nazivaju anoda i katoda. Svaki od njih spojen je na ploče odgovarajuće vodljivosti koje tvore poluvodički spoj (anoda je s “p” slojem, a katoda s “n” slojem). U trenucima kada se plus dovodi na anodu diode, a minus na njenu katodu (u slučaju tzv. "izravnog" spoja), uređaj prolazi struju dok je u otvorenom stanju.
Ako polaritet ulaznog napona promijeni predznak (obrnuto uključenje diode), prema svojoj strujno-naponskoj karakteristici, kroz poluvodički spoj ne teče struja. Kao rezultat jednosmjerne vodljivosti uređaja, na njegovom se izlazu formira pulsirajući strujni signal (prikazano je na slici ispod).
Prema ovom krugu, nakon diode VD, ispravljeni signal Un ide do opterećenja R (za sada bez filtriranja), gdje se koristi za svoju namjenu.
Bilješka! Dovede li se na ulaz ispravljačkog uređaja izmjenični napon određene amplitude U, struja kroz njega i teret R teći će samo u jednom smjeru.
Kao rezultat ispravljanja, na opterećenju će se pojaviti niz pozitivnih poluvalova, koji se naknadno dovode u elektrolitske kondenzatore u svrhu filtriranja. Tek nakon izglađivanja valovitosti kroz kondenzatore moći će se govoriti o konačno ispravljenom naponu.
Strujno-naponska karakteristika (CVC)
Strujno-naponska karakteristika uređaja koji se ovdje razmatra prikazana je na donjoj slici.
Pokazuje da u prvom kvadrantu koordinatnih osi (gore desno) postoji izravna grana ovisnosti struje Ipr o naponu Upr dovedenom na ispravljač. Svojim oblikom ukazuje na mali otpor diode s pozitivnim polaritetom potencijala dovedenog na njene polove (linearni dio s nagibom blizu 45 stupnjeva).
U trećem kvadrantu (dolje lijevo) nalazi se njegova reverzna grana, čiji vodoravni položaj ukazuje na veliki otpor pn spoja.
U ovom kvadrantu, napon Urev na polovima diode ima negativan polaritet, zbog čega je struja Irev kroz reverzno prednaponski spoj blizu nule.
Teorija upravljanja p-n spojem
Elektronički p-n spoj koji se nalazi ispod bilo kojeg diodnog elementa dvostruki je sloj područja zasićenih i osiromašenih elektronima (rupa), koja se nalaze jedna od druge na udaljenosti reda veličine atoma.
Ako na takvu diodu dovedete napon izravnog polariteta (plus na anodu, a minus na katodu), elektroni iz njima zasićenog sloja počinju intenzivno difundirati u područje gdje ih je manje, ubrzavajući se primijenjenom pozitivan potencijal. Kao rezultat toga, vodljivost sloja naglo raste (njegov otpor opada), a struja počinje teći u smjeru prema naprijed. Ista stvar se događa s rupama.
U slučaju kada se na isti element dovede napon suprotnog polariteta (potencijali na anodi i katodi mijenjaju predznak), rupe i elektroni počinju se udaljavati od spoja. Istodobno se na njegovoj granici stvara potencijalna barijera koja ne dopušta prodiranje nositelja naboja s jednog područja na drugo (vidi sliku u nastavku).
Zbog tog efekta, spoj je u stanju smanjene vodljivosti (veliki otpor), u kojem dioda ne provodi struju. S energetskog gledišta, oba gore razmotrena slučaja svode se na prevladavanje elektroničke barijere umjetno stvorene na spoju poluvodiča dviju vodljivosti.
Dodatne informacije. Kao poluvodiči koriste se dobro poznati elementi periodnog sustava s izraženim polumetalnim učinkom (indij, germanij, silicij i drugi).
Gore opisani p-n spojevi formiraju se od ovih materijala, koji se tijekom proizvodnje stavljaju u kućište proizvoda spremnog za upotrebu - diode.
Podjela i karakteristike dioda
Sve poznate vrste ispravljačkih dioda obično se razlikuju po sljedećim karakteristikama:
- Količina uključene snage;
- Frekvencija prebacivanja;
- Vrsta poluvodiča koji se koristi u proizvodnji p-n spoja.
Prema prvoj od ovih karakteristika, diode se dijele na uređaje male snage, kao i na proizvode srednje i velike snage. Ova podjela je određena jakošću struje koju p-n spoj elementa ventila može proći kroz sebe pri fiksnom naponu na svojim elektrodama. U skladu s ovom značajkom, elektronički uređaji koji se ovdje razmatraju mogu se podijeliti u sljedeće tri skupine:
- Diode niske snage s minimalnom vrijednošću ispravljene (ili istosmjerne) struje - do 0,3 Ampera;
- Uređaji srednje snage (od 0,3 do 10 Ampera);
- Snažni ili energetski ispravljački proizvodi, vrijednosti istosmjernih struja u kojima dostižu vrijednosti reda desetaka i stotina ampera.
Prema svojim frekvencijskim parametrima, sve poznate vrste dioda dijele se na uređaje niske, srednje, visoke i ultravisoke (mikrovalne) frekvencije.
Bilješka! Većina ispravljačkih dioda koje se koriste kao ventili u industrijskim i kućanskim električnim mrežama na 50 Hertza klasificiraju se kao niskofrekventne.
Na temelju vrste spoja koji se koristi u proizvodnji diode, obično se dijele na zastarjele proizvode od germanija i moderne silikonske ispravljače. Sukladno razmatranoj klasifikaciji diodnih komponenti, uvode se njihove karakteristike koje su predstavljene sljedećim radnim parametrima:
- Maksimalni ispravljeni (obrnuti) napon;
- Usmjereni napon preko otvorenog diodnog elementa (njegov pad na pristranom spoju);
- Dopuštena vrijednost struje koja prolazi kroz diodu;
- Količina dopuštene povratne struje;
- Maksimalna snaga koju rasipa ventil;
- Radne i maksimalne prijelazne temperature;
- Dopuštena frekvencija uključenog signala.
Uz navedene karakteristike, koje se smatraju glavnim pokazateljima funkcioniranja diodnih elemenata, postoje i sekundarne koje su izravno povezane s parametrima koji su već razmatrani ranije. To obično uključuje karakteristike kao što su brzina i kapacitet pn spoja, kao i njegov diferencijalni i toplinski otpor.
Dodatne informacije. Ovi parametri su traženi pri projektiranju složenih elektroničkih sklopova i, u pravilu, nemaju značajan utjecaj na rad uređaja u načinu rada ispravljača.
Dodajmo ovome da se temperaturni uvjeti rada diodnog elementa obično smatraju njegovim glavnim parametrima. Za najčešći tip ovih proizvoda (silicijska dioda), ovaj pokazatelj obično se kreće od -50 do +130 stupnjeva. Pri projektiranju elektroničke opreme velika se pozornost posvećuje temperaturi samog tijela uređaja, čija vrijednost ovisi o njegovim parametrima (tip, snaga i proizvođač).
Područja upotrebe
Ispravljački elementi ventilskog tipa u području električnih i elektroničkih transformacija obično se koriste u sljedeće svrhe:
- Prekidanje (otvaranje i zatvaranje radnih krugova);
- Detekcija i ograničavanje signala različitih oblika i trajanja;
- Izravno ispravljanje izmjeničnih napona, osiguravajući stabilne razine potencijala.
Osim toga, klasična ispravljačka dioda izrađena od silicijskih materijala osnova je za stvaranje takozvanih "mostnih" sklopova koji uključuju nekoliko elemenata odjednom (slika ispod).
Pojavom ventilskih sklopova od četiri diode spojene po principu back-to-back, sami ispravljački moduli su značajno pojednostavljeni, a istovremeno je olakšana tehnologija njihove ugradnje.
Zbog tako izvanrednih karakteristika kao što su niska cijena, jednostavnost dizajna i pouzdanost u radu, ispravljačke diode temeljene na spojevima poluvodiča naširoko se koriste ne samo u elektroničkim i električnim uređajima, već iu tako dalekom području kao što je radiotehnika.
Dodatne informacije. U radijskim uređajima ovi se elementi koriste u visokofrekventnim modovima, osiguravajući ispravljanje, prebacivanje i ograničavanje primljenih bežičnih signala.
U završnom dijelu pregleda, napominjemo da su moderne ispravljačke diode predstavljene velikim izborom različitih tipova i modela, koji se razlikuju po svom dizajnu i deklariranim karakteristikama performansi. Sposobnost pravilnog rukovanja ovim elektroničkim elementima svodi se na poznavanje algoritma za odabir određenog uzorka diode, usredotočujući se na podatke navedene u referentnim priručnicima.
Video
Jedan od elektroničkih uređaja koji se široko koristi u raznim strujnim krugovima je ispravljačka dioda, uz pomoć koje se izmjenična struja pretvara u istosmjernu. Njegov dizajn je stvoren u obliku uređaja s dvije elektrode s jednosmjernom električnom vodljivošću. AC ispravljanje se događa na spojevima metal-poluvodič i poluvodič-metal. Potpuno isti učinak postiže se u prijelazima elektron-rupa nekih kristala - germanija, silicija, selena. Ti se kristali u mnogim slučajevima koriste kao glavni elementi uređaja.
Ispravljačke diode koriste se u raznim elektroničkim, radijskim i električnim uređajima. Uz njihovu pomoć zatvaraju se i otvaraju krugovi, detektiraju i prebacuju impulsi i električni signali, kao i druge slične transformacije.
Princip rada ispravljačke diode
Svaka dioda ima dva priključka, odnosno elektrode - anodu i katodu. Anoda je spojena na p-sloj, a katoda na n-sloj. U slučaju izravnog spajanja diode, plus ide na anodu, a minus na katodu. Kao rezultat, električna struja počinje teći kroz diodu.
Ako se strujni dovod vrši obrnuto - na anodu se stavi minus, a na katodu plus, dobiva se takozvano obrnuto prebacivanje diode. U tom slučaju neće biti protoka struje, što pokazuje strujno-naponska karakteristika ispravljačke diode. Stoga će pri dolasku na ulaz kroz diodu proći samo jedan poluval.
Prikazana slika jasno odražava strujno-naponsku karakteristiku diode. Njegova izravna grana nalazi se u prvom kvadrantu grafa. Opisuje diodu u stanju visoke vodljivosti kada se na nju primijeni napon prema naprijed. Ova se grana izražava kao komadno-linearna funkcija u = U 0 + R D x i, u kojoj u predstavlja napon preko ventila tijekom prolaska struje i. Prema tome, U 0 i R D su napon praga i dinamički otpor.
Treći kvadrant sadrži obrnutu granu strujno-naponske karakteristike, što ukazuje na nisku vodljivost kada se na diodu primijeni obrnuti napon. U tom stanju praktički nema struje kroz strukturu poluvodiča.
Ovaj će položaj biti ispravan samo do određene vrijednosti obrnutog napona. U tom slučaju, jakost električnog polja u području pn spoja može doseći razinu od 105 V/cm. Takvo polje daje kinetičku energiju elektronima i rupama - pokretnim nositeljima naboja - koji mogu uzrokovati ionizaciju neutralnih atoma silicija.
Standardna struktura ispravljačke diode pretpostavlja prisutnost rupa i elektrona vodljivosti, koji se stalno generiraju pod utjecajem toplinske generacije kroz cijeli volumen strukture vodiča. Nakon toga se ubrzavaju pod utjecajem električnog polja p-n spoja. Odnosno, elektroni i šupljine također sudjeluju u ionizaciji neutralnih atoma silicija. U tom slučaju reverzna struja raste poput lavine i dolazi do takozvanih lavinskih kvarova. Napon pri kojem se reverzna struja naglo povećava na slici je označen kao probojni napon U3.
Osnovni parametri ispravljačkih dioda
Pri određivanju parametara ispravljačkih elemenata treba uzeti u obzir sljedeće čimbenike:
- , maksimalno dopušteno pri ispravljanju struje, kada uređaj još ne može pokvariti.
- Maksimalna vrijednost prosječne ispravljene struje.
- Maksimalni povratni napon.
Ispravljački uređaji dostupni su u različitim oblicima i mogu se montirati na različite načine.
Prema fizičkim karakteristikama dijele se u sljedeće skupine:
- Ispravljačke diode velike snage, propusnost do 400 A. Spadaju u visokonaponsku kategoriju i dostupne su u dvije vrste kućišta. Kućište pina je od stakla, a kućište tableta od keramike.
- Ispravljačke diode srednje snage kapaciteta od 300 mA do 10 A.
- Ispravljačke diode male snage s maksimalnom nazivnom strujom do 300 mA.
Prilikom odabira određenog uređaja potrebno je uzeti u obzir strujno-naponske karakteristike obrnute i vršne maksimalne struje, najveći dopušteni prednji i obrnuti napon, prosječnu snagu ispravljene struje, kao i materijal proizvoda i vrsti njegove instalacije. Sva glavna svojstva ispravljačke diode i njezini parametri označeni su na kućištu u obliku simbola. Označavanje elemenata naznačeno je u posebnim priručnicima i katalozima, ubrzavajući i olakšavajući njihov odabir.
Krugovi koji koriste ispravljačke diode razlikuju se po broju faza:
- Jednofazni se široko koriste u kućanskim električnim aparatima, automobilima i opremi za elektrolučno zavarivanje.
- Višefazni se koriste u industrijskoj opremi, posebnom i javnom prijevozu.
Ovisno o korištenom materijalu, ispravljačke diode i diodni krugovi mogu biti germanijski ili silicijski. Najčešće se koristi potonja opcija, zbog fizičkih svojstava silicija. Ove diode imaju znatno manju povratnu struju pri istom naponu, pa je dopušteni povratni napon vrlo visok, u rasponu od 1000-1500 volti.
Za usporedbu, za germanijske diode ova vrijednost je 100-400 V. Silicijske diode ostaju operativne u temperaturnom rasponu od - 60 do + 150 stupnjeva, a germanijske diode - samo u rasponu od - 60 do + 850 C. Na temperaturama iznad ove vrijednosti, parovi elektron-šupljina nastaju velikom brzinom, što dovodi do naglog povećanja obrnute struje i smanjenja učinkovitosti ispravljača.
Spojni krug ispravljačke diode
Najjednostavniji ispravljač radi prema sljedećoj shemi. Ulaz se napaja izmjeničnim mrežnim naponom s pozitivnim i negativnim poluperiodima, crvenom i plavom bojom. Na izlazu je spojeno normalno opterećenje RH, a dioda VD bit će ispravljački element.
Kada se pozitivni poluciklusi napona dovedu na anodu, dioda se otvara. Tijekom tog perioda, istosmjerna diodna struja Ipr teći će kroz diodu i opterećenje napajano iz ispravljača. Na grafikonu s desne strane ovaj val je označen crvenom bojom.
Kada se negativni poluciklusi napona dovedu na anodu, dioda se zatvara i lagana reverzna struja počinje teći cijelim krugom. U tom slučaju negativni poluval izmjenične struje prekida dioda. Ovaj granični poluval označen je plavom isprekidanom linijom. Na dijagramu je simbol za ispravljačku diodu isti kao i obično, samo su simboli VD postavljeni na vrhu simbola.
Kao rezultat toga, više neće protjecati izmjenična struja, već pulsirajuća struja jednog smjera kroz opterećenje spojeno preko diode na mrežu. Zapravo, ovo je ispravljena izmjenična struja. Međutim, ovaj napon je prikladan samo za trošila male snage koja se napajaju izmjeničnom strujom. To mogu biti žarulje sa žarnom niti koje ne zahtijevaju posebne uvjete napajanja. U ovom slučaju, napon će prolaziti kroz svjetiljku samo tijekom impulsa - pozitivnih valova. Postoji lagano titranje svjetiljke s frekvencijom od 50 Hz.
Kada je isti napon spojen na prijemnik ili pojačalo snage, u zvučniku ili zvučnicima čut će se nisko zujanje od 50 Hz, poznato kao zujanje izmjenične struje. U tim slučajevima, oprema počinje "faliti". Uzrok ovog stanja smatra se pulsirajuća struja koja prolazi kroz opterećenje i stvara pulsirajući napon u njemu. To je ono što stvara pozadinu.
Taj se nedostatak djelomično otklanja spajanjem filtarskog elektrolitskog kondenzatora Sf velikog kapaciteta paralelno s opterećenjem. Tijekom pozitivnih poluperioda puni se strujama, a tijekom negativnih poluperioda se prazni korištenjem RH opterećenja. Veliki kapacitet kondenzatora omogućuje vam održavanje kontinuirane struje preko opterećenja tijekom svih poluciklusa - pozitivnih i negativnih. Na grafikonu je takva struja puna valovita crvena linija.
Međutim, ova izglađena struja još uvijek ne osigurava normalan rad, budući da se polovica ulaznog napona gubi tijekom ispravljanja kada se koristi samo jedan poluciklus. Ovaj nedostatak kompenzira se snažnim ispravljačkim diodama spojenim u takozvani diodni most. Ovaj krug se sastoji od četiri elementa, što omogućuje protok struje tijekom svih poluciklusa. Zbog toga je pretvorba izmjenične struje u istosmjernu mnogo učinkovitija.
