Как работает выпрямительный диод. Выпрямительные диоды, диодные мосты и области их применения. Основные параметры устройств
Хотя все диоды являются выпрямителями, этот термин обычно применяется к устройствам, предназначенным для подачи питания, чтобы отличать их от элементов, используемых для небольших сигнальных цепей. Выпрямительный диод большой мощности применяется для выпрямления переменного тока с низкой частотой питания, составляющей 50 Гц, при высокой мощности, излучаемой во время нагрузки.
Диодные характеристики
Основной задачей диода является преобразование переменного напряжения в постоянное через применение в выпрямительных мостах. Это позволяет электричеству идти только в одном направлении, обеспечивая работу источника питания.
Принцип работы выпрямительного диода понять несложно. Его элемент состоит из структуры, именуемой pn-переходом. Сторона p-типа называется анодом, а n-типа - катодом. Ток пропускается от анода к катоду, при этом почти полностью предотвращается его протекание в обратном направлении. Это явление называется выпрямлением. Оно преобразует переменный ток в однонаправленный. Устройства этого типа могут обрабатывать более высокое электричество, чем обычные диоды, поэтому они называются мощными. Возможность проведения высокой величины тока может быть классифицирована как их основная особенность.
Сегодня чаще всего используются кремниевые диоды . Если их сравнивать с элементами из германия, то они имеют большую поверхность соединения. Поскольку германий обладает низкой устойчивостью к теплу, большинство полупроводников изготовлено из кремния. Устройства из германия отличаются значительно меньшим допустимым обратным напряжением и температурой перехода. Единственное преимущество, которое имеет диод из германия перед кремнием, - это более низкое значение напряжения при работе в прямом смещении (VF (IO) = 0,3 ÷ 0,5 В для германия и 0,7 ÷ 1,4 В для кремния).
Типы и технические параметры выпрямителей
Сегодня существует множество различных разновидностей выпрямителей. Их принято классифицировать по:
Наиболее распространённые типы - это 1 A, 1,5 A, 3 A, 5 A и 6 A. Также существуют стандартные устройства с максимальным средним выпрямленным током до 400 A. Прямое напряжение может варьироваться от 1,1 мВ до 1,3 кВ.
характеризуются следующими допустимыми пределами:
Примером высокопроизводительного элемента является диод с двойным высокоточным выпрямителем с током 2x30А, который лучше всего подходит для базовых станций, сварщиков, источников питания переменного/постоянного тока и промышленных применений.
Прикладное значение
В качестве простейшего полупроводникового компонента диод этого типа имеет широкий спектр применения в современных электронных системах. Различные электронные и электрические схемы используют этот компонент в качестве важного устройства для получения требуемого результата. Область применения выпрямительных мостов и диодов обширна. Вот несколько таких примеров:
- включение переменного тока в постоянное напряжение;
- изоляция сигналов от источника питания;
- ссылка на напряжение;
- управление размером сигнала;
- смешивающие сигналы;
- сигналы обнаружения;
- осветительные системы;
- лазеры.
Мощные выпрямительные диоды являются жизненно важным компонентом источников питания. Они используются для регулирования электроэнергии в компьютерах и автомобилях, а также могут применяться в зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и компьютерных источников питания.
Кроме того, они часто используются и для других целей (например, в детекторе радиоприёмников для проведения радиомодуляции). Вариант диода с барьером Шоттки особенно ценится в цифровой электронике. Диапазон рабочих температур от -40 до +175 °C позволяет использовать эти устройства при любых условиях.
Полупроводниковые диоды и их характеристики
Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного - перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в- переходе.
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Д ля них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь- перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные - переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении - перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина - перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то - переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.
Вольт-амперные характеристики реальных диодов и - переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .
Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);
вольт-амперные характеристики (в):
1 - идеального- перехода, 2 – реального диода
Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)
Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),
кремниевого (2) диодов
Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.
Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры
С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.
Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.
В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:
Во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;
Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).
Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.
Основные параметры выпрямительных диодов:
максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;
средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;
импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;
средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;
среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;
средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Основное предназначение выпрямительных диодов – преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.
Устройство и конструктивные особенности
Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.
При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.
Обозначения:
- А – вывод катода.
- В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
- С – кристалл n-типа.
- D – кристалл р-типа.
- E – провод ведущий к выводу анода.
- F – изолятор.
- G – корпус.
- H – вывод анода.
Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.
Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.
Классификация по мощности
Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:
Перечень основных характеристик
Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.
Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.
Принцип работы
Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением U IN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.
Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя
Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой I обр).
В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.
Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.
К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:
- Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
- Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
- Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).
Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).
Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации
Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).
Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.
Устройство и принцип работы диодного моста
Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.
Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:
- На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
- Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
- На следующий период цикл повторяется.
Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:
- Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
- Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
- Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
- Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.
Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.
Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.
Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».
На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.
На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.
Известный даже неспециалистам выпрямительный диод – это особый вид приборов на основе полупроводников, используемый с целью получения постоянных напряжений из исходных потенциалов с переменными параметрами. Изделия этого класса относятся к двухэлектродным устройствам с односторонней проводимостью, благодаря которой обеспечивается их выпрямительный эффект (смотрите фото ниже).
Построенные на основе этих элементов диодные выпрямители широко применяются как в электротехнике, так и в современных электронных изделиях. Чаще всего выпрямительные диоды используются в качестве простых одиночных вентилей или в составе более сложных мостовых схем.
Принцип выпрямления
У любого выпрямительного прибора имеется два вывода или электрода, называемых анодом и катодом. Каждый из них соединен с образующими полупроводниковый переход пластинами соответствующей проводимости (анод – с «p», а катод – с «n» слоем). В моменты, когда на анод диода поступает плюс, а на его катод – минус (в случае так называемого «прямого» включения) прибор пропускает ток, находясь в открытом состоянии.
Если же полярность поступающего напряжения меняет свой знак (обратное включение диода), согласно его вольтамперной характеристике, ток через полупроводниковый переход не протекает. В результате односторонней проводимости прибора на его выходе образуется пульсирующий токовый сигнал (он приведен на фото ниже).
Согласно этой схеме после диода VD выпрямленный сигнал Un поступает в нагрузку R (пока без фильтрации), где используется по назначению.
Обратите внимание! Если на вход выпрямительного устройства подать переменное напряжение определенной амплитуды U, ток через него и нагрузку R потечет только в одном направлении.
В результате выпрямления на нагрузке появится серия из положительных полуволн, которые в дальнейшем поступают на электролитические конденсаторы с целью фильтрации. Только после сглаживания пульсаций посредством емкостей можно будет говорить об окончательно выпрямленном напряжении.
Вольтамперная характеристика (ВАХ)
Вольтамперная характеристика рассматриваемого здесь прибора представлена на размещенном ниже рисунке.
Из нее видно, что в первом квадранте осей координат (справа сверху) располагается прямая ветвь зависимости тока Iпр от подаваемого на выпрямитель напряжения Uпр. Своей формой она указывает на низкое сопротивление диода при положительной полярности приложенного к его полюсам потенциала (линейная часть с наклоном, близким к 45 градусам).
В третьем квадранте (слева внизу) располагается обратная ее ветвь, своим горизонтальным положением указывающая на высокое сопротивление p-n перехода.
В этом квадранте напряжение Uобр на полюсах диода имеет отрицательную полярность, вследствие чего ток Iобр через смещенный в обратном направлении переход близок к нулю.
Теория управления p-n переходом
Заложенный в основу любого диодного элемента электронный p-n переход представляет собой двойной слой из насыщенных и обедненных электронами (дырками) областей, которые располагаются одна от другой на удалении порядка размера атома.
Если подать на такой диод напряжение прямой полярности (плюс – на анод, а минус – на катод), электроны из насыщенного ими слоя начинают усиленно диффундировать в область, где их меньше, разгоняясь приложенным положительным потенциалом. В результате этого проводимость слоя резко увеличивается (его сопротивление падает), и ток начинает протекать в прямом направлении. То же самое происходит и с дырками.
В случае, когда к этому же элементу прикладывается напряжение противоположной полярности (потенциалы на аноде и катоде меняются своими знаками), дырки и электроны начинают удаляться от перехода. При этом на его границе образуется потенциальный барьер, не позволяющий носителям зарядов проникать из одной области в другую (смотрите фото ниже).
Вследствие этого эффекта переход находится в состоянии пониженной проводимости (высокого сопротивления), при котором диод не проводит ток. С энергетической точки зрения, оба рассмотренных выше случая сводятся к преодолению электронного барьера, искусственно создаваемого на стыке полупроводников двух проводимостей.
Дополнительная информация. В качестве полупроводников используются известные элементы таблицы Менделеева с явно выраженным полуметаллическим эффектом (индий, германий, кремний и другие).
Из этих материалов и формируются описанные выше p-n переходы, которые при изготовлении размещаются в корпусе готового к применению изделия – диода.
Классификация и характеристики диодов
Все известные типы выпрямительных диодов принято различать по следующим признакам:
- Величина коммутируемой мощности;
- Частота переключений;
- Вид используемого при изготовлении p-n перехода полупроводника.
По первому из этих признаков диоды делятся на маломощные приборы, а также на изделия средней и большой мощности. Указанное деление определяется силой тока, которую способен пропускать через себя p-n переход вентильного элемента при фиксированном напряжении на его электродах. В соответствии с этим признаком, рассматриваемые здесь электронные устройства могут быть разбиты на следующие три группы:
- Диоды низкой мощности с минимальной величиной выпрямленного (или прямого) тока – до 0,3 Ампер;
- Приборы средней мощности (от 0,3 до 10 Ампер);
- Мощные или силовые выпрямительные изделия, значения прямых токов в которых достигает величин порядка десятки и сотни ампер.
По своим частотным параметрам все известные типы диодов делятся на приборы низкой, средней, высокой и сверхвысокой (СВЧ) частоты.
Обратите внимание! Большинство выпрямительных диодов, используемых в качестве вентилей в промышленных и бытовых электрических сетях 50 Герц, относятся к разряду низкочастотных.
По типу используемого при изготовлении диода перехода их принято делить на уже устаревшие германиевые изделия и современные кремниевые выпрямители. В соответствии с рассмотренной классификацией диодных компонентов, вводятся их характеристики, которые представлены следующими рабочими параметрами:
- Максимальное выпрямляемое (обратное) напряжение;
- Прямое напряжение на открытом диодном элементе (его падение на смещенном переходе);
- Допустимое значение пропускаемого через диод прямого тока;
- Величина допустимого обратного тока;
- Предельно рассеиваемая на вентиле мощность;
- Рабочая и максимальная температуры перехода;
- Допустимая частота коммутируемого сигнала.
Помимо указанных характеристик, которые считаются основными показателями функционирования диодных элементов, существуют и второстепенные, напрямую связанные с уже рассмотренными ранее параметрами. К ним обычно относят такие характеристики, как быстродействие и емкость p-n перехода, а также его дифференциальное и тепловое сопротивления.
Дополнительная информация. Эти параметры востребованы при проектировании сложных электронных схем, а на работу прибора в выпрямительном режиме, как правило, существенного влияния не оказывают.
Добавим к этому, что температурные режимы работы диодного элемента принято относить к его основным параметрам. Для самого распространенного типа этих изделий (кремниевого диода) этот показатель колеблется обычно в диапазоне от -50 до +130 градусов. При конструировании электронной аппаратуры большое внимание уделяется температуре корпуса самого прибора, величина которой зависит от его параметров (типа, мощности и производителя).
Области применения
Выпрямительные элементы вентильного типа в сфере электротехнических и электронных преобразований применяются, как правило, для следующих целей:
- Коммутация (размыкание и замыкание рабочих цепей);
- Детектирование и ограничение сигналов различной формы и длительности;
- Непосредственное выпрямление переменных напряжений, обеспечивающее получение стабильных уровней потенциалов.
Помимо этого, классический выпрямительный диод, изготовленный на основе кремниевых материалов, является основой для создания так называемых «мостовых» схем, включающих в свой состав сразу несколько элементов (фото ниже).
С появлением вентильных сборок из четырех диодов, включенных по встречно-параллельному принципу, существенно упростились сами выпрямительные модули с одновременным облегчением технологии их монтажа.
Благодаря таким замечательным характеристикам, как дешевизна, простота конструкции и надежность в эксплуатации выпрямительные диоды на основе полупроводниковых переходов широко применяются не только в электронных и электротехнических устройствах, но и в такой далекой от них области, как радиотехника.
Дополнительная информация. В радиотехнических устройствах эти элементы используются в высокочастотных режимах, обеспечивая выпрямление, коммутацию и ограничение принимаемых эфирных сигналов.
В заключительной части обзора отметим, что современные выпрямительные диоды представлены большим ассортиментом различных типов и моделей, отличающихся как своим конструктивным исполнением, так и заявленными рабочими характеристиками. Умение правильно обращаться с этими электронными элементами сводится к знанию алгоритма выбора того или иного образца диода, ориентируясь на приведенные в справочных пособиях данные.
Видео
Одним из электронных устройств, широко использующихся в различных схемах, является выпрямительный диод, с помощью которого переменный ток преобразуется в постоянный. Его конструкция создана в виде двухэлектродного прибора с односторонней электрической проводимостью. Выпрямление переменного тока происходит на переходах металл-полупроводник и полупроводник-металл. Точно такой же эффект достигается в электронно-дырочных переходах некоторых кристаллов - германия, кремния, селена. Эти кристаллы во многих случаях используются в качестве основных элементов приборов.
Выпрямительные диоды применение нашли в различных электронных, радиотехнических и электрических устройствах. С их помощью осуществляется замыкание и размыкание цепей, детектирование и коммутация импульсов и электрических сигналов, а также другие аналогичные преобразования.
Принцип работы выпрямительного диода
Каждый диод оборудуется двумя выводами, то есть электродами - анодом и катодом. Анод соединяется с р-слоем, а катод - с n-слоем. В случае прямого включения диода на анод поступает плюс, а на катод - минус. В результате, через диод начинает проходить электрический ток.
Если же подачу тока выполнить наоборот - к аноду подать минус, а к катоду - плюс получится так называемое обратное включение диода. В этом случае течения тока уже не будет, на что указывает вольтамперная характеристика выпрямительного диода. Поэтому при поступлении на вход , через диод будет проходить только одна полуволна.
Представленный рисунок наглядно отражает вольтамперную характеристику диода. Ее прямая ветвь расположена в первом квадранте графика. Она описывает диод в состоянии высокой проводимости, когда к нему приложено прямое напряжение. Данная ветвь выражается в виде кусочно-линейной функции u = U 0 + R Д x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U 0 и R Д являются пороговым напряжением и динамическим сопротивлением.
Третий квадрант содержит обратную ветвь вольтамперной характеристики, указывающей на низкую проводимость при обратном напряжении, приложенном к диоду. В этом состоянии течение тока через полупроводниковую структуру практически отсутствует.
Данное положение будет правильным лишь до определенного значения обратного напряжения. В этом случае напряженность электрического поля в области p-n-перехода может достичь уровня 105 В/см. Такое поле сообщает электронам и дыркам - подвижным носителям заряда, кинетическую энергию, способную вызвать ионизацию нейтральных атомов кремния.
Стандартная структура выпрямительного диода предполагает наличие дырок и электронов проводимости, постоянно возникающих под действием термической генерации по всему объему структуры проводника. В дальнейшем происходит их ускорение под действием электрического поля p-n-перехода. То есть электроны и дырки также участвуют в ионизации нейтральных атомов кремния. В этом случае обратный ток нарастает лавинообразно, возникают так называемые лавинные пробои. Напряжение, при котором резко повышается обратный ток, обозначается на рисунке в виде напряжения пробоя U3.
Основные параметры выпрямительных диодов
Определяя параметры выпрямительных элементов, следует учитывать следующие факторы:
- , максимально допустимая при выпрямлении тока, когда устройство еще не может выйти из строя.
- Максимальное значение среднего выпрямленного тока.
- Максимальный показатель обратного напряжения.
Выпрямительные устройства выпускаются различной формы и могут монтироваться разными способами.
В соответствии с физическими характеристиками, они разделяются на следующие группы:
- Выпрямительные диоды большой мощности, пропускная способность которых составляет до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух видах корпусов. Штыревой корпус изготавливается из стекла, а таблеточный - из керамики.
- Выпрямительные диоды средней мощности с пропускной способностью от 300 мА до 10 А.
- Маломощные выпрямительные диоды с максимально допустимым значением тока до 300 мА.
Выбирая то или иное устройство, необходимо учитывать вольтамперные характеристики обратного и пикового максимальных токов, максимально допустимое прямое и обратное напряжение, среднюю силу выпрямленного тока, а также материал изделия и тип его монтажа. Все основные свойства выпрямительного диода и его параметры наносятся на корпус в виде условных обозначений. Маркировка элементов указывается в специальных справочниках и каталогах, ускоряя и облегчая их выбор.
Схемы с использованием выпрямительных диодов отличаются количеством фаз:
- Однофазные нашли широкое применение в бытовых электроприборах, автомобилях и аппаратуре для электродуговой сварки.
- Многофазные используются в промышленном оборудовании, специальном и общественном транспорте.
В зависимости от используемого материала, выпрямительные диоды и схемы с диодами могут быть германиевыми или кремниевыми. Чаще всего применяется последний вариант, благодаря физическим свойствам кремния. Данные диоды обладают значительно меньшей величиной обратных токов при одном и том же напряжении, поэтому допустимое обратное напряжение имеет очень высокую величину, в пределах 1000-1500 вольт.
Для сравнения, у германиевых диодов эта величина составляет 100-400 В. Кремниевые диоды сохраняют работоспособность в температурном диапазоне от - 60 до + 150 градусов, а германиевые - только в пределах от - 60 до + 850С. Электронно-дырочные пары при температуре, превышающей это значение, образуются с большой скоростью, что приводит к резкому увеличению обратного тока и снижению эффективности работы выпрямителя.
Схема включения выпрямительного диода
Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.
Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.
При поступлении на анод отрицательных полупериодов напряжения, наступает закрытие диода, и во всей цепи начинается течение незначительного обратного тока. В данном случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эту отсеченную полуволну обозначает синяя прерывистая линия. На схеме условное обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только поверх значка проставляются символы VD.
В результате, через нагрузку, подключенную через диод к сети, будет протекать уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления. Фактически, это и есть выпрямленный переменный ток. Однако такое напряжение подходит лишь для нагрузок малой мощности, запитанных от сети переменного тока. Это могут быть лампы накаливания, которым не требуются особые условия питания. В этом случае напряжение будет проходить через лампу лишь во время импульсов - положительных волн. Наблюдается слабое мерцание лампы с частотой 50 Гц.
При подключении питания с таким же напряжением к приемнику или усилителю мощности, в громкоговорителе или колонках, будет слышен гул с низкой тональностью, частотой 50 Гц, известный как фон переменного тока. В этих случаях аппаратура начинает «фонить». Причиной такого состояния считается пульсирующий ток, проходящий через нагрузку и создающий в ней пульсирующее напряжение. Именно оно и создает фон.
Данный недостаток частично устраняется путем параллельного подключения к нагрузке фильтрующего электролитического конденсатора Сф с большой емкостью. В течение положительных полупериодов он заряжается токами, а во время отрицательных - разряжается с помощью нагрузки RH. Большая емкость конденсатора позволяет поддерживать на нагрузке непрерывный ток в течение всех полупериодов - положительных и отрицательных. На графике такой ток представляет собой сплошную волнистую линию красного цвета.
Тем не менее, данный сглаженный ток все равно не обеспечивает нормальную работу, поскольку половина входного напряжения теряется при выпрямлении, когда задействуется только один полупериод. Этот недостаток компенсируют мощные выпрямительные диоды, собранные вместе в так называемый диодный мост. Данная схема состоит из четырех элементов, что позволяет пропускать ток в течение всех полупериодов. За счет этого преобразование переменного тока в постоянный происходит значительно эффективнее.
