Випрямні діоди: будову, конструктивні особливості, характеристики

• Будову та конструктивні особливості
• Класифікація за потужністю
• Перелік основних характеристик
• Принцип роботи
• Пристрій і принцип роботи діодного моста

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Основне призначення випрямних діодів - перетворення напруги. Але це не єдина сфера застосування даних напівпровідникових елементів. Їх встановлюють в ланцюзі комутації та управління, використовують в каскадних генераторах і т.д. Початківцям радіоаматорам буде цікаво дізнатися, як влаштовані ці напівпровідникові елементи, а також їх принцип дії. Почнемо з загальних характеристик.

Будову та конструктивні особливості

Основний елемент конструкції - напівпровідник. Це пластина кристала кремнію або германію, у якого є дві області р і n провідності. Через цю особливість конструкції вона отримала назву площинний.

При виготовленні напівпровідника обробка кристала проводиться таким чином: для отримання поверхні р-типу її обробляють розплавленим фосфором, а р-типу - бором, индием або алюмінієм. У процесі термообробки відбувається дифузія цих матеріалів і кристала. В результаті утворюється область з р-n переходом між двома поверхнями з різною електропровідністю. Отриманий таким чином напівпровідник встановлюється в корпус. Це забезпечує захист кристала від сторонніх чинників впливу і сприяє теплоотводу.

позначення:

• А - висновок катода.
• В - крісталладержатель (приварений до корпусу).
• З - кристал n-типу.
• D - кристал р-типу.
• E - провід веде до висновку анода.
• F - ізолятор.
• G - корпус.
• H - висновок анода.

Як уже згадувалося, в якості основи р-n переходу використовуються кристали кремнію або германію. Перші застосовуються значно частіше, це пов'язано з тим, що у германієвих елементів величина зворотних струмів значно вище, що істотно обмежує допустимий зворотна напруга (воно не перевищує 400 В). У той час як у кремнієвих напівпровідників ця характеристика може доходити до 1500 В.

Крім цього у германієвих елементів значно вужчий діапазон робочої температури, він варіюється в межах від -60 ° С до 85 ° С. При перевищенні верхнього температурного порогу різко збільшується зворотний струм, що негативно відбивається на ефективності пристрою. У кремнієвих напівпровідників верхній поріг близько 125 ° С-150 ° С.

Класифікація за потужністю

Потужність елементів визначається максимально допустимим прямим струмом. Відповідно цієї характеристики прийнята наступна класифікація:

• Слабкострумні випрямні діоди, вони використовуються в ланцюгах з струмом не більше 0, 3 А. Корпус таких пристроїв, як правило, виконаний з пластмаси. Їх відмінні риси - мала вага і невеликі габарити.

  

• Пристрої, розраховані на середню потужність, можуть працювати з струмом в діапазоні 0, 3-10 А. Такі елементи, в більшості своїй, виготовляються корпусі з металу і забезпечені жорсткими висновками. На одному один з них, а саме на катоді, є різьблення, що дозволяє надійно зафіксувати діод на радіаторі, використовуваного для відводу тепла.

  

• Силові напівпровідникові елементи, вони розраховані на прямий струм понад 10 А. Виробляються такі пристрої в металокерамічних або металоскляних корпусах штирьового (А на рис. 4) або таблеткового типу (В).

  

Перелік основних характеристик

Нижче наведена таблиця, з описом основних параметрів випрямних діодів. Ці характеристики можна отримати з даташіта (технічного опису елемента). Як правило, більшість радіоаматорів до цієї інформації звертаються в тих випадках, коли зазначений у схемі елемент недоступний, що вимагає знайти йому відповідний аналог.

Зауважимо, що в більшості випадків, якщо потрібно знайти аналог того чи іншого діода, перших п'яти параметрів з таблиці буде цілком достатньо. При цьому бажано врахувати діапазон робочої температури елемента і частоту.

Принцип роботи

Найпростіше пояснити принцип дії випрямних діодів на прикладі. Для цього змоделюємо схему простого однополупериодного випрямляча (див. 1 на рис. 6), в якому харчування надходить від джерела змінного струму з напругою U _IN (графік 2) і йде через VD на навантаження R.

Під час позитивного напівперіоду, діод знаходиться у відкритому положенні і пропускає через себе струм на навантаження. Коли приходить черга негативного напівперіоду, пристрій закривається, і харчування на навантаження не надходить. Тобто відбувається як би відсікання негативної напівхвилі (насправді це не зовсім вірно, оскільки при даному процесі завжди є зворотний струм, його величина визначається характеристикою I _обр).

В результаті, як видно з графіка (3), на виході ми отримуємо імпульси, що складаються з позитивних напівперіодів, тобто, постійний струм. В цьому і полягає принцип роботи випрямних напівпровідникових елементів.

Зауважимо, що імпульсна напруга, на виході такого випрямляча підходити тільки для харчування малошумних навантажень, прикладом може служити зарядний пристрій для кислотного акумулятора ліхтарика. На практиці таку схему використовують хіба що китайські виробники, з метою максимального здешевлення своєї продукції. Власне, простота конструкції є єдиним її полюсом.

До числа недоліків однодіодного випрямляча можна віднести:

• Низький рівень ККД, оскільки відсікаються негативні напівперіоди, ефективність пристрою не перевищує 50%.
• Напруга на виході приблизно вдвічі менше, ніж на вході.
• Високий рівень шуму, що проявляється у вигляді характерного гулу з частотою мережі живлення. Його причина - несиметричне розмагнічування понижувального трансформатора (власне саме тому для таких схем краще використовувати гасить конденсатор, що також має свої негативні сторони).

Зауважимо, що ці недоліки можна дещо зменшити, для цього достатньо зробити простий фільтр на базі високоемкостних електроліту (1 на рис. 7).

Принцип роботи такого фільтру досить простий. Електроліт заряджається під час позитивного напівперіоду і розряджається, коли настає черга негативного. Ємність при цьому повинна бути достатньою для підтримки напруги на навантаженні. В цьому випадку імпульси кілька згладяться, приблизно так, як продемонстровано на графіці (2).

Наведене рішення дещо поліпшить ситуацію, але не набагато, якщо живити від такого однополупериодного випрямляча, наприклад, активні колонки комп'ютера, в них буде чутися характерний фон. Для усунення проблеми будуть потрібні більш радикальне рішення, а саме діодний міст. Розглянемо принцип роботи цієї схеми.

Пристрій і принцип роботи діодного моста

Істотно відмінність такої схеми (від однополупериодной) полягає в тому, що напруга на навантаження подається в кожен напівперіод. Схема включення напівпровідникових випрямних елементів продемонстрована нижче.

Як видно з наведеного рисунка в схемі задіяно чотири напівпровідникових випрямних елемента, які з'єднані таким чином, що при кожному напівперіод працюють тільки двоє з них. Розпишемо докладно, як відбувається процес:

• На схему приходить змінну напругу Uin (2 на рис. 8). Під час позитивного напівперіоду утворюється наступна ланцюг: VD4 - R - VD2. Відповідно, VD1 і VD3 знаходяться в замкненому положенні.
• Коли настає черга негативного напівперіоду, за рахунок того, що змінюється полярність, утворюється ланцюг: VD1 - R - VD3. В цей час VD4 і VD2 замкнені.
• На наступний період цикл повторюється.

Як видно з результату (графік 3), в процесі задіяно обидва напівперіоду і як би не змінювалося напруга на вході, через навантаження воно йде в одному напрямку. Такий принцип роботи випрямляча називається двухполуперіодним. Його переваги очевидні, перерахуємо їх:

• Оскільки задіяні в роботі обидва напівперіоду, істотно збільшується ККД (практично вдвічі).
• Пульсація на виході мостової схеми збільшує частоту також удвічі (порівняно з однополуперіодним рішенням).
• Як видно з графіка (3), між імпульсами зменшується рівень провалів, відповідно згладити їх фільтру буде значно простіше.
• Величина напруги на виході випрямляча приблизно така ж, як і на вході.

Перешкоди від мостової схеми незначні, і стають ще менше при використанні фільтрує електролітичної ємності. Завдяки цьому таке рішення можна використовувати в блоках харчування, практично, для будь-яких радіоаматорських конструкцій, в тому числі і тих, де використовується чутлива електроніка.

Зауважимо, зовсім не обов'язково використовувати чотири випрямних напівпровідникових елемента, достатньо взяти готову збірку в пластиковому корпусі.

Такий корпус має чотири висновки, два на вхід і стільки ж на вихід. Ніжки, до яких підключається змінну напругу, позначаються знаком «~» або буквами «AC». На виході позитивна ніжка позначається символом «+», відповідно, негативна як «-».

На принциповій схемі таку збірку прийнято позначати у вигляді ромба, з розташованим всередині графічним відображенням діода.

На питання що краще використовувати збірку або окремі діоди можна відповісти однозначно. За функціональністю між ними немає ніякої різниці. Але збірка більш компактна. З іншого боку, при її виході з ладу допоможе тільки повна заміна. Якщо ж в такому випадку використовуються окремі елементи, досить замінити що вийшов з ладу випрямний діод.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!