Выпрямительный диод: параметры и схема. Выпрямительные диоды: Общая информация, конструктивные особенности и особенности вольт-амперных характеристик Правило определения выводов выпрямительного диода

Выпрямительный диод - это электронное устройство, предназначенное для преобразования тока переменного в ток постоянный. Это такой двухэлектродный прибор, у которого есть только односторонняя (униполярная) электрическая проводимость. Выпрямительный диод из полупроводниковых материалов и так называемые (когда четыре диода подключены по диагонали попарно в одном корпусе) пришли на смену игнитрону и электровакуумному диоду.

Эффект выпрямления переменного тока и преобразования его в постоянный возникает на переходе полупроводник-металл, металл-полупроводник или же в так называемом электронно-дырочном переходе в некоторых кристаллах (например, кремний, германий, селен, закись меди). Такие кристаллы часто служат основой прибора.

Полупроводниковый выпрямительный диод применяют в радиотехнике, в электронных и электрических устройствах. По сути, выпрямление - это преобразование тока переменного (напряжения) в ток одной полярности (пульсирующий постоянный). Такого типа выпрямление в технике необходимо для размыкания и замыкания электрический цепей, коммутации и детектирования электрических сигналов и импульсов, и для многих других подобных преобразований. Такие характеристики диода, как быстродействие, стабильность параметров, емкость p-n переходов не обязывают предъявлять к себе какие-то специальные требования.

У такого устройства есть определенные электрические параметры и характеристики диодов:

Прямое напряжение при указанном значении тока (берется ;

Обратный ток при заданном значении обратного напряжения и температуры ;

Амплитудные допустимые значения для максимального обратного напряжения;

Усредненное значение прямого тока;

Значение величины частоты без снижения режима;

Сопротивление.

Выпрямительный диод часто сокращенно называют просто выпрямителем. Как компонент электрической цепи, он оказывает высокое сопротивление току, который протекает в одном направлении, и низкое тому, который протекает в направлении обратном. Это и вызывает

У такого устройства, как диод выпрямительный, достаточно небольшой Рабочая частота для промышленного использования такого прибора при преобразовании переменного тока в постоянный составляет 50 Гц. Предельной частотой принято считать не более чем 20 кГц.

Выпрямительный диод как электронное устройство можно поделить на несколько групп по значению максимального среднего прямого тока. Это диод малой мощности (до 0,3 ампер), средней мощности (от 0,3 А до 10 А) и сверхмощные (силовые) выпрямительные диоды (более десяти ампер).

К основным параметрам такого электронного устройства, как выпрямительный диод, необходимо отнести и рабочий диапазон для температуры окружающей среды (обычно она колеблется от -50 до +130 градусов Цельсия для наиболее распространенного типа диода - кремниевого) и максимальную температуру корпуса (самые разные параметры, в зависимости от мощности, назначения и производителя).

Выпрямительные диоды

В выпрямителях переменного напряжения наибольшее примене­ние находят германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды. Основными методами получения р- n переходов для выпрямитель­ных диодов являются сплавление и диффузия.

Конструкция маломощного сплавного кремниевого диода пока­зана на рис. 6,1, а. Электронно-дырочный переход образуется вплавлением алюминия в кремний. Пластинка кремния с р- n пере­ходом припаивается к кристаллодержателю, являющемуся одно­временно основанием корпуса диода. К кристаллодержателю приваривается корпус со стеклянным изолятором, через который проходит вывод алюминиевого электрода.

Риc. 6.1. Конструкция выпрямительных диодов:

а - сплавной маломощный кремниевый диод (1 - внешние выводы; 2 - кристаллодержатель;

3 - корпус; 4 - стеклянный изолятор; 5 - алюминиевая проволока; 6 - кристалл; 7- припой);

б - мощный выпрямительный диод (1 - внешние выводы; 2 - стеклянный изолятор; 3 - корпус;

4 - кристалл; 5 - припой; 6 - кристаллодержатель);

в - выпрями­тельный столб

В диффузионных диодах р- n переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала. Конструкции диффузион­ных и сплавных выпрямительных диодов аналогичны. Маломощные выпрямительные диоды имеют относительно небольшие габариты и массу и с помощью гибких выводов монтируются в схему. У мощ­ных диодов кристаллодержатель представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверх­ностью для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (рис. 6.1, б). Между кристаллом и основанием обыч­но помещают пластинку из вольфрама или ковара, имеющую при­мерно такой же коэффициент линейного расширения, как и материал кристалла. Это способствует уменьшению механических напряже­ний в кристалле при изменении температуры.

Выпрямительные столбы представляют собой несколько специ­ально подобранных диодов, соединенных последовательно и зали­тых эпоксидной смолой. Внешний вид и схематическое устройство типичного выпрямительного столба показаны на рис. 6.1, в.

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве р- n перехода пропускать ток только в одном направ­лении.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов являет­ся вольтамперная характеристика. Для сравнения на рисунке при­ведены типовые вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Кремние­вые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допустимое об­ратное напряжение кремние­вых диодов может достигать 1500 В,

в то время как у германиевых оно лежит в пре­делах 100...400 В. Кремниевые диоды могут работать при тем­пературах -60...+150°С, а германиевые - 60...-85 °С. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 °С резко увели­чивается собственная проводимость германия, приводящая к недо­пустимому возрастанию обратного тока. Вместе с тем прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германие­вых. Это объясняется тем, что у германиевых диодов можно полу­чить величину сопротивления в прямом направлении в 1,5-2 раза меньшую, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. По­этому мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода, во столько же раз меньше. В связи с этим в выпрямительных уст­ройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

К основным стандартизированным параметрам выпрямительных диодов относятся:

Средний прямой ток / ПР.СР - среднее за период значение пря­мого тока.

Максимально допустимый средний прямой ток / ПР.СР. max .

Средний выпрямленный ток / ВП.СР - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока).

Максимально допустимый средний выпрямленный ток – I ВП.СР. max .

Постоянное прямое напряжение U ПР. - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Среднее прямое напряжение U ПР.СР - среднее за период зна­чение прямого напряжения при заданном среднем значении пря­мого тока.

Постоянное обратное напряжение U ОБР - значение постоян­ного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение - U ОБР. max

Максимально допустимое импульсное обратное напряжение - U ОБР . И. max

Постоянный обратный ток / ОБР - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном, обратном напряжении.

Средний обратный ток / ОБР,СР - среднее за период значение обрат­ного тока.

При разработке выпрямительных схем может возникнуть не­обходимость получить выпрямленный ток, превышающий предель­но допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рис. 6.3, а).

Для выравнивания токов, протекающих через диоды, последо­вательно с диодами включаются омические добавочные резисторы R ДОБ порядка нескольких Ом. Это позволяет искусственно уравнять прямые сопротивления диодов, которые для разных образцов при­боров могут быть существенно различными.

В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рис. 6.3, б ). При таком соединении напряже­ние распределяется между всеми диодами.

Для обеспечения надеж­ной работы диодов параллельно каждому из них следует включить резистор (порядка 100 кОм) для выравнивания обратных сопротивлений. В этом случае напряжения на всех диодах будут рав­ными.

Выпрямитель электрического тока - механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Диодный мост - электронная схема, предназначенная для преобразования ("выпрямления") переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

Выделим два варианта включения мостовых схем однофазную и трехфазную.

Однофазная мостовая схема:

На вход схемы подается переменное напряжение (для простоты будем рассматривать синусоидальное), в каждый из полупериодов ток проходит через два диода, два других диода закрыты (рис.1 а, б).

В результате такого преобразования на выходе мостовой схемы получается пульсирующее напряжение вдвое большее частоты напряжения на входе (рис.2 а, б, с)

Рис. 2. а) исходное напряжение (напряжение на входе), б) однополупериодное выпрямление, с) двухполупериодное выпрямление

Трехфазная мостовая схема:

В схеме трехфазного выпрямительного моста в результате получается напряжение на выходе с меньшими пульсациями, чем в однофазном выпрямителе (рис.3).

Рис. 3. Напряжение на выходе трехфазного выпрямителя

Для выпрямления трехфазных напряжений так же широко используются диодные выпрямители. Очень распространены схемы выпрямителей на полумостовых диодных выпрямителях рис. 4.

Рис. 4. Трехфазная схема выпрямителя на полумостах

Как правило, для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя применяется фильтр в виде конденсатора или дросселя, к тому же для стабилизации выходного напряжения устанавливается стабилитрон рис. 5.

Рис. 5. Схема диодного выпрямителя с фильтром

Конструкция, преимущества

Рис. 6. Диодный мост на дискретных элементах

Конструкция диодных мостов может быть выполнена из отдельных диодов, или в виде монолитной конструкции (диодной сборки). Монолитная конструкция, как правило, предпочтительней - она дешевле и меньше по объему. Диоды в ней подобраны на заводе изготовителе и параметры максимально аналогичны друг другу, в отличие от отдельных диодов, где параметры могут отличаться друг от друга, к тому же в рабочем состоянии диоды в диодной сборке работают в одинаковом тепловом режиме, что уменьшает вероятность выхода из строя элемента. Еще одним преимуществом диодной сборки является ее простота монтирования на плате. Основным недостатком монолитной конструкции является не возможность замены одного диода, вышедшего из строя другим, в этом случае необходимо менять всю сборку, но происходит это крайне редко, если рабочие режимы диодного моста подобраны правильно.

Рис. 7. Диодная сборка

Области применения

Область применения выпрямительных мостов обширна, например:

• приборы освещения (люминесцентные лампы, ЭПРА, модули солнечных батарей);
• счетчики электроэнергии;
• блоки питания и управления бытовой техники (телевизоров, миксеров, стиральных машин, пылесосов, set-top-box, компьютеров, холодильников, электроинструмента и др.), зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, AC/DC-DC/DC преобразователи;
• промышленное (блоки питания, зарядные устройства, блоки управления электродвигателями, регуляторы мощности и др.), автомобильные выпрямители.

Diotec в электронике

Рассмотрим области применения выпрямительных диодов Diotec.

Компания Diotec Semiconductor AG (Diotec) - была образована в 1973 году в городе Хайтерсхайм (Германия). На сегодняшний день компания является ведущим производителем стандартных и силовых полупроводниковых диодов и выпрямителей, вся продукция выполнена на новейшем оборудовании с высоким уровнем качества по безсвинцовой технологии. Благодаря применению собственной уникальной технологии Plasma EPOS не имеющей аналогов в мире призванной обеспечить не только высокое качество производимой продукции, но и полностью исключить применение агрессивных кислот в процессе производства и свести к минимуму вредное влияние на окружающую среду, компания заняла одно из лидирующих мест на рынке электронных компонентов.

Как известно сердцем полупроводникового элемента является кремниевый кристалл. В отличие от многих других производителей, которые приобретают кристаллы у сторонних компаний, фирма Diotec владеет собственной полной технологической цепочкой полупроводникового производства - от создания кристаллов до сборки (корпусирования), тестирования и упаковки.

Diotec для приборов освещения

Одним из самых распространенных элементов для применения в устройствах осветительной техники является выпрямитель серии 1N4007, рассчитанный на ток до 1 А и напряжение до 1000 В.

Рис. 8. Выпрямители серии 1N4007 в сравнении с MS500 на печатной плате

Этот диод занял достойную нишу на рынке светотехнических устройств, но прогресс не стоит на месте и многие компании устремились найти рентабельную замену 1N4007 в виде эквивалентного устройства для поверхностного монтажа. Компания Diotec предложила свое решение в виде выпрямительного моста серии MS (рис.8). Устройство MS500 рассчитанное на рабочее напряжение до 1000 В на сегодняшний день наиболее популярное для применения в осветительных приборах. Диодный мост MS500 имеет выводы с шагом 2,5 мм наибольшим образом соответствует промышленным стандартам, площадь занимаемая мостом на печатной плате уменьшена со 140 мм 2 до 30 мм 2 , высота составляет 1,6 мм. Таким образом, экономится до 80% площади на плате и до 90% веса электронных компонентов, что влияет на транспортные расходы при перевозке элементов. Такие конструктивные особенности моста обеспечивают гибкость при изготовлении устройств и экономят средства. Кроме того, все четыре кристалла диодного моста устанавливаются одновременно (используется технология QuattroChip), что позволяет улучшить "выравнивание" диодного моста, повысить теплостойкость, а так же снизить количество выходов из строя, вызванных неравномерностью параметров диодов (при дискретной установке) и скачками входного тока.

Рис. 9. Внешний вид миниатюрной люминесцентной лампы и схемы балласта

Большинство конструкций балластных устройств потребляет небольшой ток. Поэтому требования к номинальным параметрам по току выпрямителей не очень высоки. Основной проблемой для осветительных устройств является высокая температура окружающего воздуха.

Рис. 10. Характеристика диодного моста B250S2A в режиме повышенной температуры

Высокая температура вызывает появление проблем, связанных со снижением номинальных параметров по току, и во многих случаях инженера избегают применения мостовых выпрямителей предназначенных для поверхностного монтажа (SMD), в балластных схемах мощных осветительных приборов. Они предпочитают использовать четыре дискретных элемента для поверхностного монтажа (например, серии S1M) или компоненты с осевым расположением. Серия диодных мостов B250S2A решает данную проблему. Этот мостовой выпрямитель рассчитан на номинальный ток до 2,3 А и способен пропускать ток 0,7 А при температуре 125 °С. Кроме того, он способен обеспечивает прямое падение напряжения V F = 0,95 В при токе 2 А, что на 15-20% лучше, чем у мостовых выпрямителей других производителей. При изготовлении диодных мостов серии BxxxS2A так же был применена технология QuattroChip, позволяющая повысить устойчивость вольтамперной характеристики мостового выпрямителя к выбросам.

В осветительной технике зачастую требуются выпрямители, рассчитанные на работу с напряжениями до 2000 В. Такие выпрямители применяются в некоторых типах ламп, где необходимо высокое напряжение для поджига разряда. Применяемые в промышленности технологии пассивации диодных переходов, для изготовления элементов в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, представляют определенную трудность.

Рис. 11. Общий вид ЭПРА

Запатентованная компанией Diotec система Plasma EPOS позволяет применять технологии пассивации подложки на напряжения до 2000 В. Диодные переходы, полученные с помощью этих процессов, могут монтироваться в корпуса MELF или плоские корпуса для поверхностного монтажа (SMD). Такой технологический процесс привел к появлению диодных выпрямителей серии SM513…SM2000 в корпусах MELF рассчитанных на рабочий ток до 1 А и напряжение 1300-2000 В.

Рис. 12. Общий вид миниатюрной люминесцентной лампы

Здесь же стоит отметить одни из последних выпущенных компанией Diotec в серийное производство выпрямителей серии S1T…S1Y, которые являются логическим продолжением промышленного стандарта серии S1 рассчитанных на напряжение до 2000 В и ток до 1 А, выпрямители этой серии выпускаются в корпусе SMA. А так же версии S2x и S3x рассчитанные на токи до 2 и 3 А в корпусах SMB и SMC соответственно.

Рис. 13. Серия высоковольтных выпрямителей в SMD исполнении

В российской промышленности в настоящее время многие производители светотехнического оборудования активно применяют диодные мосты конкурирующих производителей для поверхностного монтажа серии DB10xS рассчитанных на рабочий ток до 1 А и напряжение до 1000 В. Компания Diotec выпускает аналогичные диодные мосты серии BxxxS, преимуществом которых является сохранение номинальных параметров от температуры, благодаря применению передовой технологии изготовления элементов и тщательному контролю качества, ударный прямой ток достигает 40 А, против 30 А у конкурентов, к тому же корпус диодных мостов серии BxxxS SO-DIL (SMD) имеет меньшие габариты аналогичных элементов других производителей.

Рассмотрим одну из интересных схем применения диодного моста в электронном пускорегулирующем аппарате (ЭПРА) рис.14.

Рис. 14. ЭПРА на базе UBA2021, с входной цепью на B380C1500A

Основой схемы ЭПРА является 630-вольтовая микросхема UBA2021 предназначенная для управления и контроля люминесцентной лампой. Входная цепь выполнена на диодном мосту серии B380C1500A рассчитанное на рабочий ток до 2,3 А и напряжение до 800 В.

Для управления люминесцентными лампами можно использовать микросхемы серии UBA2014, UBA2021, UBA2024.

Еще одним из применений диодных мостов являются, например бытовые регуляторы освещения для ламп накаливания.

Рассмотрим несколько простых схем регуляторов.

Рис. 15. Регулятор освещения лампы накаливания

Схема регулятора на рис.15 позволяет выполнять две функции: автоматически поддерживать заданный уровень освещенности вне зависимости от изменения уровня внешней освещенности и плавно регулировать задаваемый уровень освещенности.

При монтаже устройства необходимо учесть, что бы светочувствительный элемент (фоторезистор) располагался таким образом, что бы свет от лампы накаливания напрямую не попадал на рабочую площадку фоторезистора.

При необходимости данный регулятор освещенности может быть преобразован в регулятор других параметров, например в терморегулятор.

На рис.16 показан другой вариант построения регулятора. Этот регулятор так же может быть использован для различных вариантов применения, регулятор освещенности, температуры, напряжения, тока и др.

Рис. 16. Регулятор температуры на основе регулятора освещенности

Выпрямительная часть построена на дискретных диодах серии 1N4007, так же можно использовать диодный мост серии B500S. Симистор BT136B-600E в корпусе D2PAK, применен в целях экономии места, подойдет другой симистор из этой серии.

При небольшой доработке данных схем можно разработать датчик автоматического включения света, например на основе звукового эффекта, с включением на звук, или используя оптический датчик на ИК-лучах, а так же можно создать схему дистанционного управления освещением.

Таблица 1. Характеристики выпрямителей

Diotec для счетчиков электроэнергии

Счетчики электроэнергии для переменного тока начинают свою историю с конца 19 века, когда в 1888 году был разработан первый счетчик электроэнергии Оливером Б. Шелленбергом.

Существуют три вида электросчетчиков:

• индукционные (механические) наиболее простые и дешевые, имеют ряд недостатков: большая погрешность вычисления, отсутствие тарификации измерений, нет возможности дистанционного снятия показаний.
• цифровые (электронные) эти счетчики дороже индукционных, но имеют ряд преимуществ, они обладают высокой точностью измерений, удобный в использовании интерфейс (ЖКИ) и набор функций для пользователей, средний срок службы таких счетчиков составляет 30 лет. В цифровых счетчиках есть возможность установки нескольких тарифов, и возможность включения таких счетчиков в общую систему с возможностью дистанционного снятия показаний (АСКУЭ), как правило, такие счетчики обладают автоматической корректировкой по температуре, где могут быть применены цифровые термодатчики серии LM75, NE16, SE95.
• гибридные счетчики электроэнергии - наиболее редко встречающийся вариант счетчиков, где используется цифровой интерфейс, индукционная или электрическая измерительная часть и механическое вычислительное устройство.

Счетчики электроэнергии необходимо разделять на несколько функциональных узлов: блок питания, схема счетчика, корректирующие цепи и др. Блок питания преобразует высокое переменное входное напряжение в низкое прямое и обеспечивает питание всех цепей счетчика. Схема счетчика измеряет ток, потребляемый нагрузкой, посредством трансформатора тока, через который протекает ток. Другие блоки электросчетчика выполняют целый ряд различных функций: вывод показаний и управление через проводные (Ethernet), или беспроводные (Wi-Fi, WiMax, ZeegBee) сети, управление ЖКИ дисплеем, коррекция точности, термокомпенсация счетчика и др.

Рассмотрим вариант применения диодного моста в счетчике электроэнергии, для примера возьмем схему наиболее простого однофазного счетчика рис.17.

Счетчик состоит из микросхемы обработки, трех трансформаторов тока, цепи питания, электромеханического счетного устройства и дополнительных цепей.

В качестве регистра электроэнергии используется простое электромеханическое отсчетное устройство, в котором применен двухфазный шаговый двигатель.

Рис. 17. Схема однофазного счетчика

Электропитание счетчика обеспечивается источником, построенным на токовом трансформаторе и двухполупериодном выпрямителе, в качестве выпрямительных диодов здесь применены наиболее популярные выпрямительные диоды серии 1N4007, которые можно заменить диодными мостами серии MS250, B500S предназначенные для поверхностного монтажа или аналогичными диодами серии S1M в SMD исполнении.

Diotec для блоков питания и AC/DC-DC/DC преобразователей

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора, с первичной и вторичной обмоткой, выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода, например серии 1N400x, или четырех диодов, включенных по мостовой схеме и образующих диодный мост на дискретных элементах. Но как уже рассматривалось ранее, такое включение диодов имеет ряд недостатков по сравнению с диодным мостом в виде монолитной конструкции. Как правило, после выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий пульсации, обычно для этого применяется конденсатор большой емкости. Так же могут быть установлены фильтры высокочастотных помех (дроссель), всплесков (TVS-диоды, например серии BZW04-xxx, P4KExx, 1.5KExx), защиты от короткого замыкания, стабилизаторы напряжения и тока (стабилитроны, например серии ZPDxx, ZPYxx, 1N53xx, BZVxx, BZXxx).

Рассмотрим одну из простых схем трансформаторного блока питания, схема которого приведена на рис.18.

Выходное напряжение плавно регулируется резистором R7от 0 до 30 В. К тому же данный блок питания имеет плавную регулировку ограничения по току.

Напряжение с трансформатора выпрямляется диодным мостом серии GBU6B и подается на схему стабилизации и далее схемы регулирования тока напряжения и защиты.

Рис. 18. Трансформаторный блок питания

В настоящее время больший интерес представляют импульсные источники питания, т.к. они имеют ряд преимуществ, таких как: небольшой вес, высокий КПД, низкая стоимость, повышенная пиковая мощность при сравнимых габаритах, широкий диапазон питающего напряжения, система защиты.

В импульсных блоках питания переменное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение используется для питания широтно-импульсного модулятора (ШИМ), контроллера, драйверов и преобразователя, с помощью которого постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы c заданной частотой и скважностью, подаваемые на трансформатор. В таких блоках питания могут применяться малогабаритные трансформаторы - это объясняется тем, что с ростом частоты питающего напряжения уменьшаются требования к габаритам сердечника. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

Одна из выходных обмоток трансформатора используется для обратной связи. В зависимости от напряжения на ней (например, при изменении тока нагрузки) изменяется частота или скважность импульсов на выходе ШИМ контроллера. Таким образом, с помощью этой обратной связи блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Рассмотрим одну из простейших принципиальных схем импульсного источника питания, показанную на рис.19.

Источники питания представляет собой обратноходовой (FlyBack) ИИП.

Рис. 19. Схема импульсного источника питания

Источник питания имеет два выхода и обеспечивает напряжение 36 В и ток до 3 А общей мощностью до 220 Вт. Выпрямление входного напряжения обеспечивается диодным мостом KBU6M, TVS-диоды серии P6KE200A ограничивают выбросы напряжения. Микросхема AD1 выполняет функцию управления и ключа. Блок питания имеет гальваническую развязку входа и выхода, в том числе и цепи обратной связи. Имеется возможность плавной подстройки выходного напряжения резистором R7.

Рассмотрим еще одну интересную схему импульсного источника питания, показанную на рис.20.

Блок питания обеспечивает выходное напряжение до 5 В и ток до 1,2 А.

Рис. 20. Схема импульсного источника питания на основе TEA1522

Сердцем этого источника питания является микросхема TEA1522, которая представляет собой законченное решение для построения электронной части ИИП (управляющая схема и ключ в одном корпусе).

Входная часть блока питания выполнена на хорошо известных дискретных диодах серии 1N4007, которые как рассматривалось ранее можно заменить диодным мостом, выполненным в едином монолитном корпусе серии MS250, B500S.

Рассмотрим еще одно из применений диодных выпрямителей в бытовой технике, на примере блока управления холодильником для этого рассмотрим простую схему приведенную на рис.21.

Рис. 21. Схема блока управления холодильником

В схеме блока управления состоит из блока терморегулировки, таймера задержки включения, узла контроля напряжения сети.

Для выпрямления входного напряжения в данной схеме применен диодный мост российского производства серии КЦ407, который может быть заменен четырьмя дискретными диодами серии 1N4002-1N4007 или диодным мостом серии MS250, B500S.

Diotec для зарядных устройств

Рассмотрим простой пример применения диодных мостов в зарядных устройствах, на примере некоторых простых схем.

Рис. 22. Схема зарядного устройства

В схеме на рис.22 диодный мост выполнен на одном из распространенных диодов серии 1N4004, который можно заменить диодным мостом в виде монолитного блока серии MS250.

На схеме рис.23 представлен простейший вариант применения такого зарядного устройства на примере электрического карманного фонаря работающего от аккумулятора.

Принцип работы фонаря простой, при подключении сети переменного тока аккумулятор начинает заряжаться.

Рис. 23. Схема карманного фонаря

Переменное напряжение сети преобразуется мостовой схемой на диодах серии 1N4004, регулятор напряжения на микросхеме серии 7805 обеспечивает постоянное напряжение схемы.

Такой вариант исполнения карманного фонаря очень удобен, в схеме используется минимум элементов и вся конструкция может быть выполнена в корпусе самого фонаря с выводом контактов для подключения к сети переменного тока.

Diotec для сварочных аппаратов

Рассмотрим еще одно из наиболее популярных устройств, где применяются диодные мосты - это сварочные аппараты. На рис.24 приведена схема простейшего бытового сварочного аппарата.

Рис. 24. Схема бытового сварочного аппарата

Данная схема сварочного аппарата напоминает схему любого зарядного устройства для аккумуляторов, за исключением наличия понижающего трансформатора, который позволяет выбрать потребляемый устройством ток.

Выпрямителем здесь является диодный мост серии KBPC5012 (50 А, 1200 В).

Для преобразования зарядного устройства в недорогой сварочный аппарат необходимо сделать несколько доработок: добавить электромагнитное реле для управления током сварки, установить вентилятор для охлаждения трансформатора, а так же поставить систему автоматического регулирования мощности.

На рис.25 приведен еще один вариант построения сварочного аппарата выполненного на базе Pic-микроконтроллера серии PIC16F628. Схема позволяет управлять скоростью подачи проволоки, регулируемая потенциометром.

Рис. 25. Схема бытового сварочного аппарата на PIC16F628

Выпрямитель выполнен на четырех диодах серии 1N5403 (3 А, 300 В). Для индикации параметров сварочного аппарата применен семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом управляемый Pic-микроконтроллером.

Diotec для блоков управления электродвигателем

Электродвигатели бывают постоянного тока и переменного тока, одно, двух и трехфазные, многофазные, коллекторные и бесколлекторные, синхронные и асинхронные, шаговые, вентильные и другие. На базе этих двигателей строятся электроприводные системы с различными вариантами управления, в настоящее время самыми распространенными являются микропроцессорные электроприводы. Электроприводы с цифровым микропроцессорным управлением очень широко применяются не только в промышленных областях, таких как станкостроение, автомобильная промышленность, но и в бытовой технике, медицинской технике, электроинструменте.

Рассмотрим некоторые простые схемы управления электродвигателем.

Схема на рис.26 позволяет управлять электромотором мощностью до 5 кВт, здесь применен двигатель постоянного тока, и простая схема с применением реле. Схема обеспечивает плавный запуск и ручную установку нужной частоты вращения электромотором.

Рис. 26. Схема управления электродвигателем

В схеме управления применен диодный мост серии B125S (1 А, 125 В) в корпусе SO-DIL. Генератора импульсов, выполненный на транзисторе BD238, синхронизирован с периодом пульсации сетевого напряжения. Схема управления подает сигнал на управляющие выводы тиристоров, здесь применены тиристоры серии BT145-R (25 А, 800 В) в корпусе TO220AB. Вместо выпрямительных диодов серии P1000G на ток до 10 А и напряжение 400 В можно применить диодные мосты серии KBPC2512F (800 В, 25 А).

Схемы управления маломощными электродвигателями

Регулировать частоту вращения маломощного коллекторного электродвигателя можно, включая последовательно с ним резистор. Однако такой вариант дает низкий КПД, и не дает возможности делать плавную регулировку вращения. Главное, что такая мера приводит к остановке вращения вала: электродвигатель "зависает" при малом напряжении питания в некотором положении ротора. Схема ШИМ-регулятора оборотов маломощного коллекторного двигателя приведенная на рис.27 свободна от таких недостатков. Такую схему можно так же применять для регулировки яркости свечения ламп накаливания.

Рис. 27. ШИМ-регулятор оборотов маломощного коллекторного электродвигателя

Данная схема выполнена на интегральном таймере серии ICM7555 и позволяет регулировать частоту вращения в пределах от 2 до 98% периода повторения импульсов.

Входная часть регулятора выполнена на диодном мосту серии MS250 (250 В, 0,5 А) в корпусе SuperMicroDIL.

Диодные выпрямители для одно- и трехфазных приложений

Для применения в источниках бесперебойного питания и схемах управления электродвигателем, инверторах и промышленных источниках питания компания Diotec предлагает полупроводниковые диоды и диодные выпрямительные модули. Компания имеет большой портфолио диодных выпрямителей, для построения одно- и трехфазных схем.

Входной выпрямитель можно интегрировать в состав инвертора или использовать как самостоятельный блок. При выборе того или иного элемента схемы необходимо учитывать тепловые характеристики и стоимость схем.

Как инвертор, так и диодный мост рассеивают некоторую мощность. Инвертор и диодный мост, расположенные в одном корпусе имеют ряд ограничений при использовании, т.к. рассеиваемая мощность должны быть отведена с достаточно небольшой площади, в этом случае необходимо ставить радиатор, следствием этого является удорожание схемы. Применение дискретных модулей выпрямителя и инвертора в этом случае может оказаться более целесообразным. Компания Diotec предлагает компромиссное решение в виде отдельного модуля выпрямителя. Такое решение обеспечивает наилучший отвод тепла, а значит и лучше стабильность и срок службы элемента. Серия трехфазных мостов DB с терминалами типа Fast-On и серия DBI в корпусах собственной разработки Diotec с односторонним расположением выводов, наилучшим образом подходит для схем малой и средней мощности.

Трехфазные выпрямители серии DB рассчитаны на ток 15-35 А при напряжении до 1600 В, выпрямители серии DBI рассчитаны на ток до 25 А при напряжении до 1600 В.

В портфолио диодных выпрямителей компании Diotec насчитывается большой перечень однофазных выпрямителей, таких серий как B40, B80, B125/250/380, CS рассчитанных на ток до 7А при напряжении до 1000 В, GBS, GBI, GBU, KBU, KBPC, PB на ток 4-35 А и напряжение до 1600 В. В таблице 2 приведены некоторые наименования диодных выпрямителей этих серий и их краткие характеристики.

Таблица 2. Характеристики одно- и трехфазных диодных выпрямителей

Для применения в одно- и трехфазных схемах компания Diotec предлагает новые полумосты серии S16 в корпусе D2PAK (TO263). Два или три таких полумоста могут легко сформировать одно- или трехфазную схему входного выпрямителя.

Рис. 28. Полумост S16

Такой полумост улучшает процесс автоматической пайки плат и не требует ручного процесса монтажа мост/радиатор в источниках питания и блоках управления двигателем, рассчитанных на работу до нескольких сотен Ватт.

Серия S16 содержит два диода номиналом 8 А, которые могут использоваться, для создания однофазного моста с максимальным током 16 А или трехфазного моста с током до 24 А. Обратное напряжение полумоста достигает 1000 В, максимальный ток перегрузки 135 A при частоте 50 Гц.

Diotec на рынке электронных компонентов

Как видно из рассмотренных примеров области применения диодных выпрямителей, очень велик. Компания Diotec, являющаяся одним из лидеров на рынке полупроводниковых элементов, не ограничивается производством диодных выпрямителей, она имеет сильный портфолио полупроводниковых продуктов диодов и транзисторов общего применения, TVS-диодов (или как еще их называют супрессоры, или ограничительные диоды), быстрые и сверхбыстрые диоды, диоды Шоттки, диоды Зенера и др.

Российский рынок электроники имеет свою специфику работы, и порой цена на компонент становится основным аргументом при выборе того или иного производителя, чем электрические характеристики и их надежность. Многие азиатские производители поставляют свою дешевую продукцию на российский рынок. Компания Diotec является большим подспорьем на российском рынке электронных компонентов для азиатских компаний, обладая высочайшим качеством продукции и приемлемой ценой.

В сочетании с передовыми технологиями и немецким подходом к организации производства продукция Diotec позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности.

Опыт применения компонентов Diotec показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких как International Rectifier (IR), STMicroelectronics, ON-Semiconductors, Vishay, а зачастую и превосходить качественные и ценовые параметры этих производителей.

Егоров Алексей ,
Компания

Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой частоты. В основе выпрямительных свойств этих диодов лежит принцип односторонней проводимости электронно-дырочных р-и-переходов.

Универсальные диоды используют в различной радиоэлектрон-ной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекто-ров больших и малых сигналов и т. д. Диапазон рабочих токов и напряжений выпрямительных и уни-версальных диодов очень широк, поэтому они выпускаются как с точечным так и плоскостным р-n-переходом в структуре полупроводника с площадями от десятых долей квад-ратного миллиметра до несколь-ких квадратных сантиметров. Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с от-носительно высокими значениями прямых токов и обратных напря-жений. Этим требованиям удовлет-воряют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные дио-ды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.

Вольтамперная характеристи-ка (ВАХ) выпрямительных диодов выражает зависимость тока, про-ходящего через диод, от значения и полярности приложенного к нему постоянного напряжения Прямая ветвь характеристики показывает зависи-мость тока через диод при прямой пропускной полярности приложен-ного напряжения. Сила прямого тока экспоненциаль-но зависит от приложенного к диоду прямого напряжения и может достигать больших значений при малом (порядка 0,3 — 1 В) падении напряжения на диоде.

Обратная ветвь характеристики соответствует не-проводящему направлению тока через диод при обратной полярно-сти приложенного к диоду напряжения. Обратный ток (участок. ОД) незначительно зависит от приложенного обратного напряжения. При относительно большом обратном напряжении (точка В на характе-ристике) наступает электрический пробой р-n-перехода, при кото-ром быстро увеличивается обратный ток, что может привести к теп-ловому пробою и повреждению диода. При повышении температуры возрастут тепловой ток и ток генерации носителей зарядов в пере-ходе, что приведет к увеличению прямого и обратного токов и сме-щению характеристик диода.

Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их пара-метрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, свя-занные с ВАХ Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на постоянном токе пользуются дифференциальными параметрами, ха-рактеризующими их работу на переменном токе.

Выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (сред-нее значение за период), проходящий через диод, при котором обес-печивается его надежная и длительная работа. Сила этого тока ог-раничивается разогревом или максимальной мощностью Рмакс. Пре-вышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

• Прямое падение напряжения UПр.Ср — среднее значение за пери-од на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
• Допустимое обратное напряжение U0бр —среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и вы-ходу диодов из строя. При повышении температуры значения об-ратного напряжения и прямого тока снижаются.
• Обратный ток Iобр — среднее значение за период обратного то-ка при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше

Вы-прямительные свойства диода. Повышение температуры на каждые 10 °С приводит к увеличению обратного тока у германиевых « крем-ниевых диодов, в 1,5 — 2 раза и более.

Максимальная постоянная , или средняя за период мощность Pмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно ра-ботать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обрат-ном смещениях перехода, т. е. за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока. Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом, Pмакс=(Tп.макс — Тк)/Rпк. Для приборов малой мощности, работающих без теплоотвода,

Pмакс = (Tп.макс — Т с) /Rп.с.

Максимальная температура перехода Гп.макс зависит от мате-риала (ширины запрещенной зоны) полупроводника и степени его легирования, т. е. от удельного сопротивления области р-n-перехода — базы. Диапазон Гп.макс для германия лежит в пределах 80 — 110°С, а для кремния 150 — 220 °С.

Тепловое сопротивление Rп.к между переходом и корпусом оп-ределяется температурным перепадом между переходом Тпи кор-пусом Tк и средней выделяемой в переходе мощностью Ра и состав-ляет 1 — 3°С/Вт: Ra.K=(Ta — TK)/Pa. Тепловое сопротивление Rn c между переходом и окружающей средой зависит от температурного перепада между переходом Тп и окружающей средой Тс. Поскольку практически RПK

Предельный режим использования диодов характеризуют мак-симально допустимое обратное напряжение UОбр макс, максимальный выпрямительный ток IПр макс и максимальная темпера-тура перехода ТПмакс С повышением частоты переменного напряжения, подводимого к диоду, ухудшаются его выпрямительные свойства. Поэтому для определения свойств выпрямительных диодов обычно оговаривается диапазон рабочих частот Дf или максимальная частота выпрямле-ния fмакс На частотах, больших fмакс, не успевают скомпенсироваться накопленные за время прямого полупериода неосновные носите-ли заряда в базе, поэтому при обратном полупериоде выпрямляемо-го напряжения переход некоторое время остается прямосмещенным (т е теряет свои выпрямительные свойства). Это свойство прояв-ляется тем значительнее, чем больше импульс прямого тока или вы-ше частота подводимого переменного напряжения Кроме того, на высоких частотах начинает проявляться шунтирующее действие барьерной и диффузионной емкостей p-n-перехода, снижающих его выпрямительные свойства

При расчете режима выпрямителей используются статическое со-противление постоянному току и дифференциальное сопротивление диодов переменному току

• Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф=dU/dI или rДиф=ДU/ДI определяет изменение тока через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки на харак-теристике диода. При прямом включении напряжения rдиф Пр=0,026/ /IПр и токе IПр>10 мА оно составляет несколько омов При под-ключении обратного напряжения rДИф обр велико (от десятков ки-лоомов до нескольких мегаомов).
• Статическое сопротивление диода постоянному току гпрд = UПр/Iпр, rобр д = Uобр/Iобр В Области прямых токов rПр д>rдиф пр, а в области обратных r0бр д

Емкости диодов оказывают существенное влияние на их работу на высоких частотах и в импульсных режимах. В паспортных дан-ных диодов обычно приводится общая емкость диода Сд, которая помимо барьерной и диффузионной включает емкость корпуса при-бора Эту емкость измеряют между внешними токоотводами диода при заданных обратном напряжении смещения и частоте тока

Полупроводниковые диоды и их характеристики

Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного - перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в- переходе.

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Д ля них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь- перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные - переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении - перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина - перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то - переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов и - переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .

Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);

вольт-амперные характеристики (в):

1 - идеального- перехода, 2 – реального диода

Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)

Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),

кремниевого (2) диодов

Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры

С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.

Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

Во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

Основные параметры выпрямительных диодов:

максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;

импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;

средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;

среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;

средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.