Выпрямительные диоды: устройство, конструктивные особенности, характеристики
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:
- Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты. Выпрямительные диоды малой мощности
- Устройства, рассчитанные на среднюю мощность, могут работать с током в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем, изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла.
Выпрямительный диод средней мощности - Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или металлостеклянных корпусах штыревого (А на рис. 4) или таблеточного типа (В). Рис. 4. Выпрямительные диоды высокой мощности
Выпрямительный диод средней мощностиПеречень 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.
Таблица основных характеристик выпрямительных диодовЗаметим, 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 UIN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.
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 пульсацииПринцип 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.
Принцип работы диодного мостаКак видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них.
- 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.
Диодный мост в виде сборкиТакой 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.
|
|
Диоды выпрямительные штыревого исполнения Герметичные металлостеклянные и металлокерамические корпуса с буквой «Х» — катод на основании без буквы «Х» — анод на основании Обратное напряжение до 1800В Области применения:
IRRM — Повторяющийся импульсный обратный ток VRRM — Повторяющееся импульсное обратное напряжение |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ТДМ©2010 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ru
ru
ru
ru
ru
ruСиловые диоды, выпрямительные диоды, большие сигнальные диоды
Наиболее часто используются два типа диодов: сигнальные диоды и силовые диоды. Термин сигнальный диод обычно относится к малым сигнальным диодам. Малосигнальные диоды имеют малую мощность и номинальные токи. Эти диоды предназначены для таких приложений, как коммутационные цепи, защита от обратного тока, отсечение, фиксация и формирование волны.
Одним из наиболее важных применений диодов является выпрямление напряжения. Электроэнергия передается в виде переменного тока. Мощность передается в виде очень высокого напряжения для передачи на большие расстояния, что в конечном итоге ограничивает ток.
Вот почему электрическая энергия передается в виде переменного тока. Однако конечным приборам для любой полезной работы требуется постоянный ток. Итак, все электроприборы требуют преобразования переменного тока в постоянный. Это может быть достигнуто либо с помощью встроенного блока питания, либо в случае электронных устройств (3 В ~ 15 В) с помощью адаптера питания. Можно сказать, что выпрямление мощности — очень распространенный процесс.
Малые сигнальные диоды не предназначены для работы с большой мощностью, передаваемой в виде переменного тока. Они имеют низкий номинальный прямой ток, а также низкое пиковое обратное напряжение. Если небольшой сигнальный диод подвергнут выпрямлению, он мгновенно сгорит. Итак, существуют диоды, специально предназначенные для выпрямления и силовых применений. Эти диоды называются выпрямительными диодами или силовыми диодами. Их также называют диодами с большим сигналом, поскольку они работают с высокими пиками электрических сигналов.
Что такое силовые диоды?
Силовые диоды представляют собой полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления.
В качестве диодного устройства они работают как односторонние электрические клапаны. Силовые диоды имеют большую площадь PN-перехода. Это позволяет им иметь большой прямой ток и выдерживать большое обратное напряжение. Типичный номинальный прямой ток силового диода может достигать кА, а пиковое обратное напряжение может измеряться в кВ. Напряжение сети питания составляет сотни напряжений — обычно 120–230 В — по всему миру. Силовые диоды хорошо спроектированы для работы с такими большими напряжениями. Электрический символ силового диода такой же, как у обычного диода. Однако на правильной диаграмме анод и катод обозначены как A и K соответственно.
Символ силового диода
Конструкция выпрямительного диода
При обсуждении сигнальных диодов мы говорили о конструкции меза-диода. Меза-диод является более надежной структурой со многими предсказуемыми характеристиками. Силовые диоды в основном имеют меза-конструкцию.
Конструкция силового диода Mesa
Сильно легированная область N+ образует катод.
Над ним находится слаболегированная N-эпитаксия, к которой диффузно относится сильнолегированная область P+. N-эпитаксию называют дрейфовым слоем. Он играет важную роль в определении общей площади соединения. Поскольку он слегка легирован, он вносит свой вклад во все омическое сопротивление диода. Высокое сопротивление диода вызывает высокое пиковое обратное напряжение.
Силовые диоды обычно изготавливаются из кремния. Именно поэтому их также называют диодами Silicon Power. Многие силовые диоды специального назначения также изготавливаются из арсенида галлия. В качестве легирующих добавок для анода используются мышьяк, фосфор и германий. Материалы, используемые в качестве легирующей примеси для катода, представляют собой алюминий, бор и галлий.
Пример выпрямительного диода
Силовые диоды всегда имеют маркировку полярности. Полоса указывает на катод на одном конце диода. В некоторых моделях диодов торец катода имеет немного закругленную форму. Многие диоды имеют символ диода, напечатанный на корпусе, или имеют полярность, обозначенную знаками + и –.
Силовые диоды доступны в корпусах DO (диодный), TO (транзисторный), D2PAK (дискретный), SOD (маленький), безвыводной с металлическим электродом, SOT (маленький транзистор).
Следует отметить, что выпрямительные диоды подходят для приложений с частотами менее 1 МГц. Для высокочастотного выпрямления лучше подходят диоды Шоттки.
Характеристики силового диода
Поскольку любой диод имеет две области возможного смещения и две характеристики, силовой диод также имеет две различные электрические области работы – прямое смещение и обратное смещение.
Когда силовой диод смещен в прямом направлении, дырки из сильно легированной области P+ инжектируются в слаболегированную область N-. Дрейфовый слой слабо легирован и не может рекомбинировать все образовавшиеся дырки. Дырки проходят через N-область и проникают в сильно легированную N+-область, притягивая ее электроны. За счет притяжения положительных носителей заряда электроны из сильно легированной области N+ также инжектируются в дрейфовый слой и достигают сильно легированной области P+.
Это называется двойной инъекцией. Вся рекомбинация дырок и электронов происходит в дрейфовом слое. Из-за резистивного характера дрейфового слоя и происходящей в нем рекомбинации всех дырок с электронами прямой ток смещения силового диода почти линейный.
При обратном смещении из-за большой емкости по току и активного сопротивления диода силовой диод способен выдерживать большие обратные напряжения. Подобно тому, как пиковое обратное напряжение силового диода измеряется сотнями и тысячами вольт, его обратный ток (включая обратный ток насыщения) составляет сотни миллиампер. При напряжении колена обратный ток через диод очень резко возрастает, что приводит к внезапному скачку тока. Вот почему силовые диоды спроектированы так, чтобы иметь очень высокий рейтинг PIV по сравнению с напряжениями, с которыми они должны иметь дело. Типичные вольтамперные характеристики силового диода показаны ниже.
VI характеристики выпрямительного диода
Характеристики силового диода
Ниже приведены некоторые важные характеристики силового диода.
- Средний прямой ток: это средний выпрямленный прямой ток, типичный для синусоидального сигнала 50/60 Гц. Он усредняется по периоду, когда диод проводит одну половину сигнала переменного тока, а другую половину, когда диод не проводит ток.
- Максимальный повторяющийся прямой ток: это максимальный ток, который силовой диод может проводить без повреждений. Это обычно указывается для силового выпрямления сетевого напряжения.
- Максимальное обратное напряжение постоянного тока: это максимальное постоянное напряжение, с которым может работать силовой диод. Любой всплеск напряжения должен находиться в пределах этого допустимого предела. Выпрямительные диоды обычно подключаются к конденсатору параллельно, чтобы сгладить всплески высокого напряжения.
- Повторяющееся пиковое обратное напряжение — это максимальное обратное напряжение переменного сигнала, с которым может работать силовой диод. Повторяющееся пиковое обратное напряжение всегда меньше, чем максимальное обратное напряжение постоянного тока.
- Максимальное рабочее пиковое обратное напряжение: это максимальное обратное напряжение, которое диод может выдержать в любое время. Любое пиковое напряжение переменного сигнала или амплитуда непрерывного сигнала не должны превышать это значение.
- Обратный ток утечки: это обратный ток, протекающий через силовой диод при обратном смещении. Этот ток обусловлен тепловым эффектом и обусловлен неосновными носителями заряда. Ток утечки силового диода может составлять сотни мА.
- Время обратного восстановления: Когда диод переключается с прямого смещения на обратное, время, необходимое для снижения тока с уровня прямого тока до уровня тока утечки, называется временем обратного восстановления. Обычно это наносекунды. Это важный параметр, когда силовой диод должен использоваться в высокоскоростных переключающих устройствах, таких как импульсные источники питания.
- Максимальная температура: это максимальная температура, которую может выдержать диод. При прямом смещении диод нагревается из-за протекания тока. Это температура перехода диода. Температура окружающей среды также нагревает диод. С повышением температуры ток через диод увеличивается, и температура диода также увеличивается с увеличением тока. Это может в конечном итоге повредить диод или привести к непредсказуемому поведению. Следовательно, диод следует использовать только при соответствующих условиях эксплуатации.
Это температура перехода диода. Температура окружающей среды также нагревает диод. С повышением температуры ток через диод увеличивается, и температура диода также увеличивается с увеличением тока. Это может в конечном итоге повредить диод или привести к непредсказуемому поведению. Следовательно, диод следует использовать только при соответствующих условиях эксплуатации.Артикул выпрямительного диода
В таблице ниже перечислены некоторые популярные модели выпрямительных диодов.
Ниже приведен список некоторых популярных диодов мостового выпрямления.
Обратите внимание, что приведенные выше списки не являются исчерпывающими. Однако они послужат хорошей отправной точкой для изучения выпрямительных диодов.
Применение силовых диодов
Ниже приведены общие области применения силовых/выпрямительных диодов.
- Однополупериодное выпрямление
- Двухполупериодное выпрямление
- Цепи зарядки аккумулятора
- Цепи инвертора
- Диоды маховика
- Источник питания постоянного тока
- ИИП
Рубрики: Что такое
С тегами: Большие сигнальные диоды, Силовые диоды, Выпрямительные диоды0117
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>
org/Product»>