Poll-decor.ru

Пол Декор
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Выпрямительный диод

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).

Односторонняя проводимость

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.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

  • Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
  • Второй определяет подкласс,
  • Третий обозначает рабочие возможности,
  • Четвертый является порядковым номером разработки,
  • Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

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.

Читайте так же:
Как работает выключатель поворотов

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.

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

  • значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
  • максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
  • средней силой выпрямленного тока;
  • материалом прибора и типом монтажа.

В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

  1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
  2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

  • оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
  • минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
  • ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

Диод Шоттки SiC

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Читайте так же:
Кабель компьютерный с выключателем

Нюансы подключения к сети 220 В

При подключении led к сети 220В существуют некоторые особенности, связанные с величиной проходящего тока. Например, в распространенных выключателях освещения с подсветкой, светодиод включается по схеме, изображенной ниже:

схема подключения светодиода через выключатель 220В

Как видно, здесь отсутствуют защитные диоды, а сопротивление резистора выбрано таким образом, чтобы ограничить прямой ток led на уровне около 1 мА. Нагрузка в виде лампы также служит ограничителем тока. При такой схеме подключения светодиод будет светиться тускло, но достаточно для того, чтобы разглядеть выключатель в комнате в ночное время. Кроме того, обратное напряжение будет приложено в основном к резистору при разомкнутом ключе, и светоизлучающий диод оказывается защищенным от пробоя.

Если требуется подключить к 220В несколько светодиодов, можно включить их последовательно на основе схемы с гасящим конденсатором:

подключение нескольких светодиодов к сети 220В

При этом все led должны быть рассчитаны на одинаковый ток для равномерного свечения.

Можно заменить шунтирующий диод встречно-параллельным подключением светодиодов:

еще одна схема подключения светодиодов

В обоих случаях нужно будет пересчитать величину емкости конденсатора, т.к. возрастет напряжение на светодиодах.

Параллельное (не встречно-параллельное) подключение led в сеть недопустимо, поскольку при выходе одной цепи из строя через другую потечет удвоенный ток, что вызовет перегорание светодиодов и последующее короткое замыкание.

недопустимое подключение светодиодов 220В

Еще несколько вариантов недопустимого подключения светоизлучающих диодов в сеть 220В описаны в этом видео:

Здесь показано, почему нельзя:

  • включать светодиод напрямую;
  • последовательно соединять светодиоды, рассчитанные на разный ток;
  • включать led без защиты от обратного напряжения.

Примеры применения выпрямительных диодов

Использование выпрямительных диодов при создании резервированного источника питания

Типовая схема резервированного питания нагрузки показана на рисунке 2.4.

Схема резервного питания нагрузки

Схема содержит источник основного питания от сети переменного тока (АС/DC-преобразователь) и резервную батарею. Два навстречу включённых диода (VD1, VD2) запрещают протекание тока от одного источника к другому.

Недостаток схемы проявляется в том случае, когда основной источник энергии отключается и нагрузка питается от резервной батареи. Дело в том, что часть энергии, потребляемой схемой от батареи, рассеивается на диоде. Чем больше падение напряжения на диоде, тем больше потери.

В нашем примере мы предположили, что Uд=0,5В и тогда потери составят 10% мощности, отдаваемой батареей:

т.е. при Uд=0,5 В Рбат= (0,5+4,5)*Iнагр = 5*Iнагр

В том случае, когда в нашем распоряжении имеется ВАХ выбранного диода, мы можем получить значение Uд графически. Для этого достаточно построить нагрузочную прямую для рассматриваемой схемы:

Читайте так же:
Выключатель пакетный двухполюсный 16а 220в

Требуемое для расчёта напряжение мы получим в точке пересечения прямой Е-I*Rнагр и ВАХ диода на совмещённом графике (показано на рисунке 2.5).

Эту точку принято называть рабочей точкой выбранного режима работы диода.

Построение нагрузочной прямой

Справедливости ради укажем, что большого выигрыша в точности определения Uд мы здесь не получим, т.к. ВАХ представлена в технических описаниях как усреднённая характеристика с некоторым разбросом, да к тому же эта характеристика сильно зависит от температуры окружающей среды. Этот способ определения Uд мы рассматриваем как вспомогательный и более наглядный. Им мы будем пользоваться и при описании других нелинейных компонентов.

Двухполупериодный выпрямитель

Частая схемотехническая задача – создание из переменного напряжения постоянного для питания электронных схем. Эта задача может быть решена за два этапа: этап выпрямления и этап фильтрации исходного напряжения.

Использование двухполупериодного выпрямителя и емкостного фильтра показано на рисунке 2.6. На схемах показано протекание токов в разные полупериодывходного синусоидального напряжения и формы выходного напряжения как в отсутствии, так и при наличии емкостного фильтра (Cф).

Простой двухполупериодный выпрямитель

Как мы уже знаем, конденсатор является накопителем энергии, он это делает во время нарастания полуволны входного напряжения и отдаёт энергию в промежутке между соседними выпрямленными полуволнами, когда напряжение спадает до недопустимого по расчёту значения. Форма исходно пульсирующего напряжения при этом несколько сглаживается, однако небольшие пульсации всегда сохраняются. Они возрастают при возрастании тока нагрузки. Для снижения пульсаций необходимо увеличивать ёмкость Cф.

Время переключения диода

При изменении условий смещения диод испытывает переходные характеристики . Реакция системы на любое внезапное изменение из положения равновесия называется переходной реакцией.

Внезапное изменение от прямого к обратному и от обратного к прямому смещению влияет на цепь. Время, необходимое для реагирования на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического выключателя.

Время, необходимое для восстановления устойчивого состояния диода, называется временем восстановления .

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления ( t f r ).

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. ( T ф р )

Время, необходимое для восстановления устойчивого состояния диода, называется временем восстановления .

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления ( t f r ).

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. ( T ф р )

Читайте так же:
Как запитать выключатель 2 проводами

Чтобы понять это более четко, давайте попробуем проанализировать, что происходит, когда напряжение подается на переключающий диод PN.

Концентрация несущей

Концентрация миноритарных носителей заряда экспоненциально уменьшается, если смотреть в сторону от соединения. Когда напряжение приложено из-за прямого смещения, большинство несущих одной стороны движутся в направлении другой. Они становятся миноритариями другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке.

Например, если рассматривается N-тип, избыток дырок, которые входят в N-тип после применения прямого смещения, добавляет к уже существующим неосновным носителям материала N-типа.

Давайте рассмотрим несколько обозначений.

  • Основные носители в P-типе (дырки) = P p o
  • Основные носители в N-типе (электроны) = N n o
  • Миноритарные носители в P-типе (электроны) = N p o
  • Основные носители в N-типе (дырки) = P n o

Во время прямого смещения — несущие меньшего размера находятся ближе к перекрестку и менее далеко от перекрестка. График ниже объясняет это.

Избыточный заряд миноритарного оператора в P-типе = P n − P n o с p n o (значение устойчивого состояния)

Избыточный заряд миноритарного оператора в N-типе = N p − N p o с N p o (установившееся значение)

Во время условия обратного смещения — Большинство несущих не проводит ток через соединение и, следовательно, не участвует в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя как короткое замыкание, например, в обратном направлении.

Миноритарные несущие будут пересекать перекресток и проводить ток, который называется обратным током насыщения . Следующий график представляет условие во время обратного смещения.

Обратный ток насыщения

На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет равновесные значения, а сплошные линии представляют фактические значения. Поскольку ток из-за неосновных носителей заряда достаточно велик для проведения, цепь будет включена, пока этот избыточный заряд не будет удален.

Время, необходимое для перехода диода из прямого смещения в обратное смещение, называется временем обратного восстановления ( t r r ) . Следующие графики подробно объясняют времена переключения диодов.

Обратное время восстановления

Из приведенного выше рисунка рассмотрим график тока диода.

При t 1 диод внезапно переводится в состояние ВЫКЛ из состояния ВКЛ; это известно как Время хранения. Время хранения — это время, необходимое для снятия избыточного заряда меньшинства. Отрицательный ток, протекающий от материала типа N к P, имеет значительное количество в течение времени хранения. Этот отрицательный ток

− I R = f r a c − V R R

Следующий период времени — это время перехода »(от t 2 до t 3 )

Время перехода — это время, необходимое для полного перехода диода в состояние разомкнутой цепи. После того, как t 3 диод будет в устойчивом состоянии обратного смещения. До того, как диод t 1 находится в установившемся режиме прямого смещения.

Таким образом, время, необходимое для полного разомкнутого контура

R e v e r s e r e c o v e r y t i m e l e f t ( t r r r i g h t ) = п а м я т ь t i m e l e f t ( T s r i g h t ) + п е р е х о д в р е м я l e f t ( T t r i g h t )

Читайте так же:
Дренажный насос с поплавковым выключателем неисправности

Принимая во внимание, что для перехода в состояние ВКЛ из ВЫКЛ, требуется меньше времени, называемого временем прямого восстановления . Время обратного восстановления больше, чем время прямого восстановления. Диод работает как лучший переключатель, если обратное время восстановления меньше.

Определения

Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.

Время хранения. Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии с обратным смещением, называется временем хранения .

Время перехода . Время, прошедшее с момента возврата обратно в состояние непроводимости, то есть обратное смещение в установившемся режиме, называется временем перехода .

Время обратного восстановления — Время, необходимое для перехода диода с прямого смещения на обратное смещение, называется временем обратного восстановления .

Время прямого восстановления — Время, необходимое для перехода диода из обратного смещения в прямое смещение, называется временем прямого восстановления .

Время хранения. Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии с обратным смещением, называется временем хранения .

Время перехода . Время, прошедшее с момента возврата обратно в состояние непроводимости, то есть обратное смещение в установившемся режиме, называется временем перехода .

Время обратного восстановления — Время, необходимое для перехода диода с прямого смещения на обратное смещение, называется временем обратного восстановления .

Время прямого восстановления — Время, необходимое для перехода диода из обратного смещения в прямое смещение, называется временем прямого восстановления .

Факторы, влияющие на время переключения диодов

Есть несколько факторов, которые влияют на время переключения диодов, таких как

Диодная емкостьемкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.

Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.

Диодная емкостьемкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.

Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.

Приложения

Существует много применений, в которых используются схемы переключения диодов, например:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector