Usmerňovacie diódy: zariadenie, konštrukčné vlastnosti, vlastnosti

• Zariadenia a konštrukčné prvky
• Klasifikácia výkonu
• Zoznam hlavných charakteristík
• Princíp činnosti
• Zariadenie a princíp činnosti diódového mostíka

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Hlavným účelom usmerňovacích diód je konverzia napätia. Nie je to však jediná oblasť použitia týchto polovodičových prvkov. Sú inštalované v spínacích a riadiacich obvodoch, ktoré sa používajú v kaskádových generátoroch atď. Začiatočníci budú mať záujem dozvedieť sa, ako sú tieto polovodičové prvky usporiadané, ako aj ich princíp činnosti. Začnime so všeobecnými charakteristikami.

Zariadenia a konštrukčné prvky

Hlavným konštrukčným prvkom je polovodič. Jedná sa o kryštálovú dosku z kremíka alebo germánia, ktorá má dve vodivé oblasti p a n. Vzhľadom k tejto konštrukčnej funkcii sa nazýva planárna.

Pri výrobe polovodiča sa kryštál spracováva nasledovne: na získanie povrchu typu p sa spracuje s roztaveným fosforom a p-typ sa spracuje bórom, indiom alebo hliníkom. Počas procesu tepelného spracovania sa tieto materiály a kryštalická difúzia. Výsledkom je oblasť s pn spojom medzi dvoma povrchmi s rôznymi elektrickými vodivosťami. Takto získaný polovodič je inštalovaný v puzdre. To zaisťuje ochranu kryštálu pred vonkajšími faktormi a prispieva k chladiču.

Legenda:

• A - výstupná katóda.
• B - držiak kryštálu (privarený k telu).
• C je kryštál typu n.
• D je kryštál typu p.
• E - vodič vedúci k výstupu anódy.
• F - izolátor.
• G - telo.
• H - anódový kolík.

Ako už bolo uvedené, kryštály kremíka alebo germánia sa používajú ako základ spojenia pn. Prvé sa používajú oveľa častejšie, čo je spôsobené tým, že v prvkoch germánia je hodnota spätných prúdov oveľa vyššia, čo výrazne obmedzuje prípustné spätné napätie (nepresahuje 400 V). Zatiaľ čo v silikónových polovodičoch môže táto charakteristika dosahovať až 1500 V.

Okrem toho pre germániové prvky je rozsah pracovných teplôt oveľa užší, pohybuje sa od -60 ° C do 85 ° C. Ak sa prekročí horný teplotný prah, prudko sa zvýši spätný prúd, čo negatívne ovplyvní účinnosť zariadenia. Silikónové polovodiče majú hornú hranicu asi 125 ° C - 150 ° C.

Klasifikácia výkonu

Výkon prvkov je určený maximálnym povoleným jednosmerným prúdom. V súlade s touto charakteristikou sa prijíma táto klasifikácia: \ t

• Nízkoprúdové usmerňovacie diódy sa používajú v obvodoch s prúdom nepresahujúcim 0, 3 A. Prípad takýchto zariadení je spravidla vyrobený z plastu. Ich charakteristické vlastnosti sú nízka hmotnosť a malé rozmery.

  

• Zariadenia navrhnuté pre priemerný výkon, môžu pracovať s prúdom v rozsahu 0, 3-10 A. Takéto prvky sú z väčšej časti vyrobené z kovového krytu a vybavené pevnými vodičmi. Na jednej z nich, konkrétne na katóde, sa nachádza niť, ktorá umožňuje bezpečne upevniť diódu na chladiči použitom na odvod tepla.

  

• Výkonové polovodičové prvky sú určené na jednosmerný prúd viac ako 10 A. Takéto zariadenia sa vyrábajú v kovovo-keramických alebo kovovo-sklenených puzdrách (A na Obr. 4) alebo v tabletovom type (B).

  

Zoznam hlavných charakteristík

Nižšie je tabuľka opisujúca základné parametre usmerňovacích diód. Tieto charakteristiky je možné získať z technického listu (technický opis prvku). Väčšina rádioamatérov sa spravidla odvoláva na tieto informácie v prípadoch, keď prvok uvedený v schéme nie je k dispozícii, čo si vyžaduje nájdenie vhodného analógu.

Všimnite si, že vo väčšine prípadov, ak je potrebné nájsť analógovú konkrétnu diódu, prvých päť parametrov z tabuľky bude celkom postačujúcich. Je žiaduce zohľadniť rozsah prevádzkovej teploty prvku a frekvencie.

Princíp činnosti

Príkladom je najjednoduchší spôsob vysvetlenia princípu činnosti usmerňovacích diód. Na tento účel simulujeme jednoduchý polvlny usmerňovacieho obvodu (pozri obr. 6 na obr. 6), v ktorom je energia napájaná zo zdroja striedavého prúdu s napätím U _IN (graf 2) a prechádza VD na záťaž R.

Počas kladného polovičného cyklu je dióda v otvorenej polohe a prechádza samotným prúdom na záťaž. Keď je to záporný polovičný cyklus, zariadenie je uzamknuté a do záťaže nie je napájané. To znamená, že záporná polvlna je odrezaná (v skutočnosti to nie je celkom pravda, pretože v tomto procese je vždy spätný prúd, jej hodnota je určená charakteristikou I _arr ).

V dôsledku toho, ako je možné vidieť z grafu (3), na výstupe dostávame impulzy pozostávajúce z kladných polovičných periód, to znamená jednosmerného prúdu. Toto je princíp činnosti polovodičových prvkov usmerňovača.

Všimnite si, že pulzné napätie na výstupe takéhoto usmerňovača je vhodné len na napájanie nízkošumových záťaží, príkladom je nabíjačka pre kyslú batériovú baterku. V praxi sa takýto systém používa okrem čínskych výrobcov s cieľom maximalizovať náklady na svoje výrobky. V skutočnosti je jednoduchosť dizajnu jediným pólom.

Nevýhody jednosmerného usmerňovača zahŕňajú:

• Nízka úroveň účinnosti, pretože záporné polovičné obdobia sú prerušené, účinnosť zariadenia nepresahuje 50%.
• Napätie na výstupe je približne polovičné ako na vstupe.
• Vysoká hladina hluku, ktorá sa prejavuje vo forme charakteristického šumu s frekvenciou sieťového napájania. Jeho príčinou je asymetrická demagnetizácia stupňovitého transformátora (to je dôvod, prečo je lepšie použiť pre tieto obvody kaliaci kondenzátor, ktorý má tiež svoje negatívne strany).

Všimnite si, že tieto nevýhody môžu byť do určitej miery znížené, preto stačí urobiť jednoduchý filter založený na vysokokapacitnom elektrolyte (1 na obr. 7).

Princíp fungovania tohto filtra je pomerne jednoduchý. Elektrolyt sa nabíja počas kladnej polovice periódy a vybíja, keď je ťah negatívny. Kapacita v tomto prípade by mala byť dostatočná na udržanie napätia na záťaži. V tomto prípade budú impulzy trochu vyhladené, približne ako je znázornené na grafe (2).

Vyššie uvedené riešenie trochu zlepší situáciu, ale nie moc, ak je napájané z takého polovodičového usmerňovača, napríklad aktívnych reproduktorov počítača, bude mať charakteristické pozadie. Na vyriešenie problému je potrebné radikálnejšie riešenie, a to diódový mostík. Zvážte princíp fungovania tohto systému.

Zariadenie a princíp činnosti diódového mostíka

Základný rozdiel medzi takouto schémou (od polovičnej vlny) je ten, že napätie aplikované na záťaž je aplikované na každú polovicu periódy. Obvod pre spínanie polovodičových usmerňovacích prvkov je znázornený nižšie.

Ako je možné vidieť na obrázku, v obvode sú zapojené štyri polovodičové usmerňovacie prvky, ktoré sú spojené takým spôsobom, že len dve z nich pracujú počas každej polovice periódy. Uveďte podrobne, ako sa tento proces deje:

• Do okruhu sa dostáva striedavé napätie Uin (2 na obr. 8). Počas pozitívneho polcyklu sa vytvorí nasledujúci reťazec: VD4 - R - VD2. VD1 a VD3 sú teda v uzamknutej polohe.
• Keď príde sekvencia záporného polcyklu, v dôsledku skutočnosti, že sa mení polarita, vytvára sa reťazec: VD1 - R - VD3. V tomto okamihu sú VD4 a VD2 zablokované.
• Pre nasledujúce obdobie sa cyklus opakuje.

Ako je možné vidieť z výsledku (graf 3), do procesu sa zapájajú obidve polperiódy a bez ohľadu na to, ako sa mení vstupné napätie, prechádza záťažou v jednom smere. Tento princíp činnosti usmerňovača sa nazýva full-wave. Jeho výhody sú zrejmé, uvádzame ich:

• Keďže sa do práce zapájajú obidve polročné obdobia, účinnosť sa podstatne zvyšuje (takmer dvakrát).
• Zvlnenie na výstupe mostíkového obvodu tiež zdvojnásobuje frekvenciu (v porovnaní s polvlnovým riešením).
• Ako je možné vidieť z grafu (3), úroveň poklesov klesá medzi impulzmi, respektíve, bude pre filter oveľa ľahšie vyhladiť.
• Veľkosť napätia na výstupe usmerňovača je približne rovnaká ako na vstupe.

Rušenie z mostíkového obvodu je zanedbateľné a pri použití elektrolytickej filtračnej kapacity sa stáva ešte menej. Vďaka tomu môže byť takéto riešenie použité v napájacích zdrojoch prakticky pre všetky amatérske rádiové štruktúry, vrátane tých, ktoré používajú citlivú elektroniku.

Všimnite si, že nie je vôbec nutné používať štyri usmerňovacie polovodičové prvky, stačí, ak sa hotová zostava odoberie v plastovom puzdre.

Tento prípad má štyri výstupy, dva na vstupe a rovnaký na výstupe. Nohy, ku ktorým je pripojené striedavé napätie, sú označené písmenami „~“ alebo „AC“. Na výstupe je kladná vetva označená symbolom „+“, resp. Záporne ako „-“.

Na schematickom diagrame je takáto zostava zvyčajne označovaná ako kosoštvorec s grafickým zobrazením diódy umiestnenej vo vnútri.

Na otázku, či je lepšie použiť montáž alebo jednotlivé diódy, nemožno jednoznačne odpovedať. Z hľadiska funkčnosti nie je medzi nimi žiadny rozdiel. Montáž je však kompaktnejšia. Na druhej strane, ak zlyhá, pomôže to len úplná výmena. Ak sa v tomto prípade použijú samostatné prvky, stačí vymeniť neúspešnú usmerňovaciu diódu.

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!