Одним из электронных устройств, широко использующихся в различных схемах, является выпрямительный диод, с помощью которого переменный ток преобразуется в постоянный. Его конструкция создана в виде двухэлектродного прибора с односторонней электрической проводимостью. Выпрямление переменного тока происходит на переходах металл-полупроводник и полупроводник-металл. Точно такой же эффект достигается в электронно-дырочных переходах некоторых кристаллов – германия, кремния, селена. Эти кристаллы во многих случаях используются в качестве основных элементов приборов.
Общая характеристика и принцип работы
Выпрямительные диоды способны замыкать и размыкать цепи, а также коммутировать электрические сигналы. Их принцип работы основан на определенных особенностях p-n перехода. Суть заключается в том, что у каждого диода есть два вывода или электрода. Один из них — анод, а второй — катод. Анод соединен с p-слоем, а катод примыкает к n-слою.
Между p- и n-слоем имеется небольшая область без подвижных носителей заряда, обладающая высоким электрическим сопротивлением. Она называется запирающим слоем и определяет потенциальный барьер.
Когда на p-n переход поступает внешнее напряжение, создающее электрополе, направленное противоположно полю запирающего слоя, то данный слой начинается уменьшаться по толщине. Окончательно он исчезает при напряжении 0.4–0.6 Вольт. При этом существенно возрастает ток, который называется прямым.
Подача внешнего питания другой полярности приводит к увеличению запирающего слоя и возрастанию сопротивления p-n перехода. В этом случае ток создается неосновными носителями заряда. Он будет иметь незначительную величину даже при сравнительно большом напряжении.
Следовательно, прямой ток создается основными носителями заряда, а обратный — неосновными. Диоды-выпрямители пропускают прямой (положительный) электроток по направлению от анода к катоду.
Как работает выпрямительный диод проще всего объяснить, используя схему простого однополупериодного выпрямителя.
Диодный однополупериодный выпрямитель на протяжении положительного полупериода пребывает в открытом положении, поэтому ток проходит через него и поступает на нагрузку. Во время отрицательного полупериода диод запирается, и напряжение не поступает на нагрузку. В результате на выход поступают импульсы, которые состоят только из положительных полупериодов и называются постоянным током.
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.
Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное
напряжение, в котором
положительные
полупериоды выделены красным цветом, а
отрицательные
– синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (
Rн
), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (
VD
).
При положительных
полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод
открывается
. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (
Rн
), питающуюся от выпрямителя, течет
прямой ток
диода
Iпр
(на правом графике волна полупериода показана красным цветом).
При отрицательных
полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод
закрывается
, и во всей цепи будет протекать незначительный
обратный ток
диода (
Iобр
). Здесь, диод как бы отсекает
отрицательную
полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн
), подключенную к сети через диод (
VD
), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а
пульсирующий
ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.
Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания. Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.
Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока
. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.
Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно
нагрузке подключить фильтрующий
электролитический конденсатор
(Cф) большой емкости.
Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф
) во время отрицательных полупериодов
разряжается
через нагрузку (
Rн
). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (
Rн
) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.
Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс
) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только
половины
волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины
входного
напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют
однополупериодным
, а выпрямители –
однополупериодными выпрямителями
. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием
диодного моста
.
Разновидности диодов
Основным элементом выпрямляющего диода является полупроводник. Чаще всего в качестве него применяется кристалл кремния или германия. Кремневые диоды используются чаще, чем германиевые. Это связано с тем, что последние отличаются более высокой величиной обратных токов, что существенно ограничивает допустимую величину обратного напряжения. Для германиевых полупроводников этот показатель не превышает 400 Вольт. У кремниевых диодов максимальное обратное напряжение может достигать 1500 Вольт.
Кроме того, кремниевые полупроводники отличаются более высокой рабочей температурой. Но с этим достоинством связан и существенный минус данных радиоэлементов. Если обратное напряжение приводит к их пробою, то он носит тепловой характер. Это означает, что пробитый кремниевый выпрямитель практически всегда необходимо заменять новым.
Преимуществом германиевых считается небольшое падение напряжения при прямом электротоке.
В зависимости от технологии изготовления полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Первые состоят из небольшой пластины n-типа и стальной иглы, создающей в месте контакта p-n переход. Основными конструктивными элементами плоскостных полупроводниковых диодов являются две соединенные вместе пластины разной электропроводности.
Максимально допустимый прямой ток определяет мощность выпрямительных диодов. Исходя из этой характеристики, их принято делить на:
- Слаботочные. Они отличаются небольшими габаритами и малым весом. Выпускаются преимущественно в пластмассовых корпусах. Выпрямляемый ток не превышает 0.3 Ампер.
- Диоды средней мощности. Их корпуса изготавливаются из металла, а на одном из выводов (катоде) присутствует резьба, с помощью которой радиоэлемент можно надежно зафиксировать на радиаторе, используемом для отвода тепла. Способны выпрямлять переменный ток от 0.3 до 10 Ампер.
- Силовые полупроводниковые выпрямители. Рассчитаны на прямой ток, превышающий 10 А. Выпускаются в металлокерамических или металлостеклянных корпусах таблеточного или штыревого типа.
Существуют еще такие разновидности выпрямительных диодов, как:
- Импульсные. Их используют в маломощных электронных схемах. Главной их особенностью является небольшое время, затрачиваемое на переход от закрытого состояния к открытому, и наоборот. Это примерно 100 мкс.
- Обращенные. При обратном включении они оказывают небольшое сопротивление проходящему току и намного большее при прямом включении. Обращенные диоды предназначены в основном для выпрямления небольших сигналов с амплитудой напряжения не более 1 Вольта.
- Выпрямители Шоттки. Они отличаются небольшим сопротивлением, поэтому используются для выпрямления значительных токов, достигающих десятки ампер. Внутри выпрямителей Шоттки не накапливается тепловая энергия, поэтому отсутствует и рассасывание неосновных носителей электрозарядов.
- Стабилитроны. Способны сохранять все свои рабочие характеристики даже в режиме электрического пробоя. За рубежом их называют диодами Зенера.
- Диодный мост. Данная схема собирается из четырех элементов. Используется с целью улучшения качества преобразования переменного тока в постоянный. Отличается тем, что способен пропускать ток на протяжении каждого полупериода. Мосты выпускаются в виде устройства, заключенного в корпус из пластика.
Все виды выпрямительных диодов отличаются внешним видом, но их выбор упрощает соответствующее обозначение, нанесенное на корпус. Каталоги с маркировкой и УГО данных полупроводниковых элементов представлены в специальном справочнике. Следует отметить, что маркировка импортных диодов отличается от отечественных. Буквенно-цифровое обозначение отечественных диодов регламентирует ОСТ 11366.919-81. Расшифровка маркировки согласно этому документу представлена на рисунке ниже.
Следовательно, если на корпусе имеется маркировка КД202А, то это будет кремниевый выпрямительный диод средней мощности исполнения А.
Существуют требования и относительно условных графических изображений диодов на схемах.
Устройство
Полупроводниковый диод – это двухполюсный прибор, изготовленный из полупроводникового вещества, пропускающий ток в одном направлении и практически не пропускающий в другом.
Главный элемент диода – кристаллическая составляющая с p-n переходом, к которой припаивают (приваривают) металлический анод и катод. Прохождение прямого тока осуществляется при подаче на анод положительного, относительно катода, потенциала.
Обратите внимание! В направлении прямого тока происходит движение дырок. Движение электронов осуществляется в противоположном направлении
Устройство диодов может быть точечным, плоскостным, поликристаллическим.
Устройство точечного и плоскостного п/п прибора
Дополнительная информация. Принципиальных отличий между точечными и плоскостными двухполюсными приборами не существует.
Устройство точечного диода показано на рисунке (а).
При приваривании тонкой иглы, с нанесённой на неё примесью, к пластине из полупроводника, с обусловленным видом электропроводности, происходит образование полусферического мини p-n перехода, с другим типом проводимости. Это действие получило название – формовка диода.
Изготовление плоскостного двухполюсника осуществляется методом сплавления диффузии. На рисунке (б) представлены сплавной германиевый диод, принцип его устройства. В пластине германия n-типа, при вплавлении туда капли индия при 500 градусах, образуется слой германия р-типа. Выводные контакты, припаиваемые к основной пластине германия и индия, изготавливают из никеля.
При производстве полупроводниковых пластин применяются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. В качестве основы точечного и плоскостного двухполюсников используют полупроводниковые монокристаллические пластины с правильным по всему объему строением.
В поликристаллических двухполюсниках p-n переход образуется полупроводниковыми слоями, в состав которых входит большое количество беспорядочно ориентированных малых кристаллов, не представляющих единой монокристаллической формы. Это селеновые, титановые и медно-закисные двухполюсники.
Параметры диодного выпрямителя
Каждый тип диодов имеет свои предельно допустимые и рабочие характеристики. Основные параметры выпрямительных диодов представлены в таблице:
Как правило, к данной информации обращаются тогда, когда элемент из схемы выпрямителей недоступен и ему необходимо найти замену. В большинстве случаев аналоги выбираются по первым пяти параметрам из таблицы, но иногда еще следует учитывать такие характеристики выпрямительных диодов, как рабочая температура и частота.
Очень важный параметр диодов — это их прямой ток. Его стоит учитывать, когда происходит замена исходных диодов на аналоги, а также в случае создания самодельных устройств. В зависимости от различных модификаций показатели значения прямого тока могут достигать величин в несколько десятков и даже сотен ампер. Поэтому в мощных устройствах диодные мосты обязательно устанавливают в специальном корпусе вместе с охлаждающим радиатором, который не позволяет перегреваться кристаллу в диоде.
Некоторые подвиды диодов, например Шоттки, очень восприимчивы к перепадам обратного напряжения, поэтому могут быстро прийти в негодность. А вот кремниевые полупроводники, наоборот, являются устойчивыми к повышению показателей обратного напряжения. Они способны прослужить длительный период, а именно до тех пор, пока кристалл на проводнике не перегреется и не выйдет из строя, для чего необходимо много времени.
Тиристоры.
Трехэлектродные тиристоры(тринисторы) — полупроводниковые приборы, применяемые для регулирования мощности в сетях переменного и постоянного токов. Тиристор легко переходит из закрытого (непроводящего) состояния в открытое, при подаче на управляющий электрод открывающего импульса. После того, как тиристор открыт, он остается в таком состоянии, пока протекающий через него ток не снизится до определенного порогового значения.
При работе в цепях переменного тока, подобное снижение происходит с каждой сменой полярности, при изменении фазы. В цепях постоянного тока, для отключения используются специальные схемы.
Вольт-амперная характеристика
Не всегда на практике расчетные величины полностью совпадают с теоретическими основными параметрами полупроводниковых элементов. Например, вольт-амперная характеристика используемого выпрямительного диода или ВАХ зависит от показателей передвижения электрического тока в проводнике в прямом и обратном направлении. Значение прямого тока на порядок больше обратного, а значение прямого напряжения на порядок меньше. Когда обратное напряжение достигает своей пороговой величины, обратный ток резко возрастает и происходит пробой p-n слоя.
Зависимости прямых и обратных токов и напряжений можно представить в виде графика. Он состоит из двух ветвей — прямой и обратной. Прямая расположена в первом квадранте и отражает максимальную проводимость диода при прямом напряжении. Обратная находится в третьем квадранте и соответствует низкой проводимости при обратном напряжении. Ток при низкой проводимости через полупроводник не проходит.
ВАХ выпрямительного полупроводникового диода зависит от температуры. С повышением данного параметра уменьшается прямое напряжение. Имеют значение и такие свойства графика, как резкая асимметрия. Смещение прямой ветви указывает на высокую проводимость, а обратной — на низкую.
В областях с высокой разницей потенциалов зависимость тока от напряжения становится практически линейной.
Технология изготовления
Выпрямительный диод по конструкции представляет пластину полупроводникового кристалла, в теле которой имеются две области, имеющие разную проводимость. Это послужило причиной того, что их называют плоскостными.
Полупроводниковые выпрямительные диоды делаются так: на области кристалла полупроводника, имеющей проводимость n-типа, происходит расплавление алюминия, индия или бора, а на область кристалла с проводимостью p-типа расплавляется фосфор.
При воздействии высоких температур эти два вещества накрепко сплавляются с полупроводниковой основой. Кроме того, атомы этих материалов диффундируют внутрь кристалла с образованием в нем области с преимущественно электронной или дырочной проводимостью. В итоге образуется полупроводниковый прибор, имеющий две области с различного типа электропроводностью, а между ними образован p-n-переход. Таков принцип работы подавляющего большинства плоскостных диодов из кремния и германия.
Где применяется на практике
С развитием научно-технического прогресса применение выпрямительных диодов стало необходимостью. Они используются в таких узлах и механизмах, как:
- Блоки питания двигателей наземных, водных и воздушных транспортных средств, промышленных станков, буровых установок.
- Диодные мосты для сварочных аппаратов.
- Выпрямительные установки для гальванических ванн.
- Установки для очистки воздуха и воды.
- Высоковольтные линии передач.
Схемы выпрямительных устройств делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Самую простую двухполупериодную схему можно построить на основе двух однополупериодных. В такой выпрямительной схеме присутствуют два диода и один резистор. Если же применить не два, а четыре диода, тогда коэффициент полезного действия существенно повысится.
Качество выпрямителя отражает коэффициент выпрямления. Его величина определяется соотношением прямого и обратного токов. Чем выше коэффициент, тем лучше выпрямитель справляется со своей работой.
Диоды на практике применяются не только в качестве выпрямительных, но и детекторных приборов. Из диодных выпрямителей очень легко можно сконструировать работающие ограничители сигнала. Для этого необходимо подключить два диода параллельно. В таком положении они будут выступать отличной и эффективной защитой для входа усилителя. Например, этот способ используют для микрофонного усилителя, так как он способствует максимальному увеличению качества и уровня сигнала.
Диоды «вживают» в логические приборы, а также рации, теленяни и другие коммутаторы, задачей которых является передача четких бесперебойных удаленных сигналов.
Востребованными на данный момент являются и светодиоды. Еще несколько десятков лет назад их применяли лишь в качестве индикаторов внутри различных приборов. На сегодняшний день светодиодами оснащены и такие простые устройства, как ручные фонарики, и более сложная техника, например, жидкокристаллические телевизоры.
Подводя итог, можно сказать, что современные выпрямительные диоды представлены в большом ассортименте. Они отличаются и своим конструктивным исполнением, и рабочими характеристиками. При выборе нужного радиоэлемента следует руководствоваться данными, приведенными в справочных пособиях.
Стабилизация напряжения и Стабилитроны.
Выходное напряжение обычного, нестабилизированного источника постоянного электрического тока подвержено колебаниям, из- за изменений напряжения на его входе. Рисунок. При подключении различных потребителей потребляющих разный ток напряжение так же меняется – возрастает при меньшей нагрузке, падает при большей. Для нормальной работы электронных устройств необходимо это напряжение стабилизировать, сделав его величину независимой от вышеупомянутых факторов. Стабилитроны это полупроводниковые диоды, использующиеся для стабилизации напряжения в различных источниках питания. В отличии от обычных диодов работают при обратном включении, в режиме пробоя. Это не наносит им вреда, если не превышается предел рассеивающей мощности, величина которого является производной, от падения напряжения на переходе и тока через него протекающего.
Итак, важнейшие параметры стабилитрона — это напряжение стабилизации и максимальный рабочий ток. Рабочий ток стабилитрона, ограничивается с помощью последовательно включенного резистора.
Коэффициент выпрямления
Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.
Он отражает качество выпрямителя.
Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.
