Принцип действия
Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.
ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.
Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.
Общие сведения
Диод (Д) — полупроводниковый элемент, служащий для пропускания тока через p-n-переход только в одном направлении. При помощи Д можно выпрямлять переменное U, получая из него постоянное пульсирующее. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры конденсаторного или индуктивного типа, а иногда их и комбинируют.
Д состоит только из p-n-перехода с выводами, которые называются анодом (+) и катодом (-). Ток, при прохождении через проводник, оказывает на него тепловое действие. При нагреве катод испускает отрицательно заряженные частицы — электроны (Э). Анод притягивает электроны, так как обладает положительным зарядом. В процессе образуется эмиссионное поле, при котором возникает ток (эмиссионный). Между (+) и (-) происходит генерация пространственного отрицательного заряда, мешающего свободному движению Э. Э, достигшие анода, образуют анодный ток, а не достигшие — катодный. Если анодный и катодный токи равны нулю, Д находится в закрытом состоянии.
Устройство полупроводника
Д состоит из корпуса, изготавливаемого из прочного диэлектрического материала. В корпусе находится вакуумное пространство с 2 электродами (анод и катод). Электроды, представляющие металл с активным слоем, обладают косвенным накалом. Активный слой при нагревании испускает электроны. Катод устроен таким образом, что внутри его находится проволока, которая накаливается и испускает электроны, а анод служит для их приема.
Рисунок 1 — Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.
Сферы применения
Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного U в построении блоков питания (БП), диодных мостов, а также в виде одиночного элемента конкретной схемы. Д способен защитить цепь от несоблюдения полярности подключения источника питания. В цепи может произойти пробой какой-либо полупроводниковой детали (например, транзистора) и повлечь за собой процесс выхода из строя цепочки радиоэлементов. При этом применяется цепочка из нескольких Д, подключенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.
Д применяются в угольной и металлургической промышленностях, особенно при создании искробезопасных цепей коммутации в виде диодных барьеров, ограничивающих U в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры применяются вместе с ограничителями тока (резисторами) для уменьшения значений I и повышения степени защиты, а следовательно, электробезопасности и пожаробезопасности предприятия.
Использование сборки
При эксплуатации выпрямительного полупроводникового диода польза извлекается только из половины волн переменного тока, соответственно, безвозвратно теряется более половины входного напряжения.
С целью улучшить качество преобразования переменного тока в постоянный используется сборка из четырех устройств – диодный мост. Выгодно отличается тем, что пропускает ток на протяжении каждого полупериода. Диодные мосты производят в виде комплекта, заключенного в пластиковый корпус.
Принципиальная схема диодного моста
Физико-технические параметры
Основные параметры выпрямительных диодов базируются на таких значениях:
- максимально допустимом значении разницы потенциалов при выпрямлении тока, при котором устройство не выйдет из строя;
- наибольшем среднем выпрямленном токе;
- наибольшем значении обратного напряжения.
Выпрямители промышленность выпускает с разными физическими характеристиками. Соответственно, устройства имеют разную форму и способ монтажа. Разделяются при этом на три группы:
- Выпрямительные диоды большой мощности. Характеризуются пропускной способностью тока до 400 А и являются высоковольтными. Высоковольтные выпрямительные диоды производятся в корпусах двух видов –штыревом, где корпус герметичный и стеклянный, и таблеточном, где корпус из керамики.
- Выпрямительные диоды средней мощности. Обладают пропускной способность от 300 мА до 10А.
- Выпрямительные диоды малой мощности. Максимально допустимое значение тока – до 300 мА.
Германий или кремний
По применяемым материалам они бывают кремниевые и германиевые, однако более широкое применение нашли кремниевые выпрямительные диоды благодаря своим физическим свойствам.
У них обратные токи в несколько раз меньше, чем в германиевых, в то время как напряжение одинаково. Это дает возможность добиваться в полупроводниках очень высокой величины допустимых обратных напряжений, которые могут составлять до 1000-1500 В. В германиевых диодах этот параметр находится в диапазоне 100-400 В.
Кремниевые диоды способны сохранять работоспособность в диапазоне температур от -60 ºС до +150 ºС, а германиевые — только от -60 ºС до +85 ºС. Это происходит потому, что когда температура становится выше 85 ºС, количество образовавшихся электронно-дырочных пар достигает таких величин, что резко увеличивается обратный ток, и выпрямитель перестает работать эффективно.
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:
- Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
- 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.
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.
Маркировка импортных диодов
В настоящее время широко используются SMD-диоды зарубежного производства. Конструкция элементов выполнена в виде платы, на поверхности которой закреплен чип. Слишком маленькие размеры изделия не позволяют нанести на него маркировку. На более крупных элементах обозначения присутствуют в полном или сокращенном варианте.
В электронике SMD-диоды составляют около 80% всех используемых изделий этого типа. Такое разнообразие деталей заставляет внимательнее относиться к обозначениям. Иногда они могут не совпадать с заявленными техническими характеристиками, поэтому желательно провести дополнительную проверку сомнительных элементов, если они планируются к использованию в сложных и точных схемах. Следует учитывать, что маркировка диодов этого типа может быть разной на совершенно одинаковых корпусах. Иногда присутствует только буквенная символика, без каких-либо цифр. В связи с этим рекомендуется использовать таблицы с типоразмерами диодов от разных производителей.
Для SMD-диодов чаще всего используется тип корпуса SOD123. На один из торцов может наноситься цветная полоса или тиснение, что означает катод с отрицательной полярностью для открытия р-п-перехода. Единственная надпись соответствует обозначению корпуса.
Тип корпуса не играет решающей роли при использовании диода. Одной из основных характеристик является рассеивание некоторого количества тепла с поверхности элемента. Кроме того, учитываются значения рабочего и обратного напряжения, величина максимально допустимого тока через р-п-переход, мощность рассеивания и другие параметры. Все эти данные указаны в справочниках, а маркировка лишь ускоряет поиск нужного элемента.
Практическое использование выпрямительного диода
В связи с неудержимым развитием научно-технического прогресса применение выпрямителей затронуло все сферы жизнедеятельности человека. Диоды силовые выпрямительные эксплуатируются в таких узлах и механизмах:
- в блоках питания главных двигателей транспортных средств (наземных, воздушных и водных), промышленных станков и техники, буровых установок;
- в комплектации диодного моста для сварочных аппаратов;
- в выпрямительных установках для гальванических ванн, используемых для получения цветных металлов или нанесения защитного покрытия на деталь или изделие;
- в выпрямительных установках для очистки воды и воздуха, фильтрах различного рода;
- для передачи электроэнергии на дальние расстояния посредством высоковольтной линии электропередач.
В повседневной жизни выпрямители используют в различных транзисторных схемах. Применяют в основном маломощные устройства как в виде однополупериодного выпрямителя, так и виде диодного моста. Например, диоды выпрямительного блока генератора хорошо известны автолюбителям.
