Меню
ГлавнаяПолезное

Диоды малой средней и большой мощности. Выпрямительные диоды, диодные мосты и области их применения. Схема включения выпрямительного диода

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

P/N Корпус Импульсное обратное напряжение, V RRM (В) Средний ток прямой макс, I FAV (А) Ударный прямой ток, I FSM (А) Напряжение прямое Ток утечки
V F (В) I F (А) I R (мкА) V R (В)
Выпрямители
1N4001 DO-41 50 1 50 1.1 1 5 50
1N4002 DO-41 100 1 50 1.1 1 5 100
1N4003 DO-41 200 1 50 1.1 1 5 200
1N4004 DO-41 400 1 50 1.1 1 5 400
1N4005 DO-41 600 1 50 1.1 1 5 600
1N4006 DO-41 800 1 50 1.1 1 5 800
1N4007 DO-41 1000 1 50 1.1 1 5 1000
1N4007-13 DO-41 1300 1 50 1.1 1 5 1300
EM513 DO-41 1600 1 50 1.1 1 5 1600
EM516 DO-41 1800 1 50 1.1 1 5 1800
EM518 DO-41 2000 1 50 1.1 1 5 2000
S1A SMA 50 1 30 1.1 1 5 50
S1B SMA 100 1 30 1.1 1 5 100
S1D SMA 200 1 30 1.1 1 5 200
S1G SMA 400 1 30 1.1 1 5 400
S1J SMA 600 1 30 1.1 1 5 600
S1K SMA 800 1 30 1.1 1 5 800
S1M SMA 1000 1 30 1.1 1 5 1000
S1T SMA 1300 1 30 1.1 1 5 1300
S1W SMA 1600 1 30 1.1 1 5 1600
S1X SMA 1800 1 30 1.1 1 5 1800
S1Y SMA 2000 1 30 1.1 1 5 2000
S2A SMB 50 2 50 1.1 1.15 5 50
S2B SMB 100 2 50 1.1 1.15 5 100
S2D SMB 200 2 50 1.1 1.15 5 200
S2G SMB 400 2 50 1.1 1.15 5 400
S2J SMB 600 2 50 1.1 1.15 5 600
S2K SMB 800 2 50 1.1 1.15 5 800
S2M SMB 1000 2 50 1.1 1.15 5 1000
S2T SMB 1300 2 50 1.1 1.15 5 1300
S2W SMB 1600 2 50 1.1 1.15 5 1600
S2X SMB 1800 2 50 1.1 1.15 5 1800
S2Y SMB 2000 2 50 1.1 1.15 5 2000
S3A SMC 50 3 110 1.15 3 5 50
S3B SMC 100 3 110 1.15 3 5 100
S3D SMC 200 3 110 1.15 3 5 200
S3G SMC 400 3 110 1.15 3 5 400
S3J SMC 600 3 110 1.15 3 5 600
S3K SMC 800 3 110 1.15 3 5 800
S3M SMC 1000 3 110 1.15 3 5 1000
S3T SMC 1300 3 110 1.15 3 5 1300
S3W SMC 1600 3 110 1.15 3 5 1600
S3X SMC 1800 3 110 1.15 3 5 1800
S3Y SMC 200 3 110 1.15 3 5 2000
Мосты выпрямительные
MS40 Micro-DIL 80 0.5 20 1.2 0.5 10 80
MS80 Micro-DIL 160 0.5 20 1.2 0.5 10 160
MS125 Micro-DIL 250 0.5 20 1.2 0.5 10 250
MS250 Micro-DIL 600 0.5 20 1.2 0.5 10 600
MS380 Micro-DIL 800 0.5 20 1.2 0.5 10 800
MS50 Micro-DIL 1000 0.5 20 1.2 0.5 10 1000
B40S2A SO-DIL 80 2.3 65 0.95 2 10 80
B80S2A SO-DIL 160 2.3 65 0.95 2 10 160
B125S2A SO-DIL 250 2.3 65 0.95 2 10 250
B250S2A SO-DIL 600 2.3 65 0.95 2 10 600
B380S2A SO-DIL 800 2.3 65 0.95 2 10 800
B40S SO-DIL 80 1 40 1.1 1 10 80
B80S SO-DIL 160 1 40 1.1 1 10 160
B125S SO-DIL 250 1 40 1.1 1 10 250
B250S SO-DIL 600 1 40 1.1 1 10 600
B380S SO-DIL 800 1 40 1.1 1 10 800
B500S SO-DIL 1000 1 40 1.1 1 10 100

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

P/N Упаковка, мм Импульсное обратное напряжение, V RRM В Средний ток прямой макс, I FAV А Ударный прямой ток 50/60 Гц, I FSM А Напряжение прямое Ток утечки
V F В I F А I R мкА V R В
Выпрямители 3-х фазные
DB15/25-005 28,5х28,5х10 50 15/25 275/385 1.05 7.5 10 50
DB15/25-01 28,5х28,5х10 100 15/25 275/385 1.05 7.5 10 100
DB15/25-02 28,5х28,5х10 200 15/25 275/385 1.05 7.5 10 200
DB15/25-04 28,5х28,5х10 400 15/25 275/385 1.05 7.5 10 400
DB15/25-06 28,5х28,5х10 600 15/25 275/385 1.05 7.5 10 600
DB15/25-08 28,5х28,5х10 800 15/25 275/385 1.05 7.5 10 800
DB15/25-10 28,5х28,5х10 1000 15/25 375/385 1.05 7.5 10 1000
DB15/25-12 28,5х28,5х10 1200 15/25 275/385 1.05 7.5 10 1200
DB15/25-14 28,5х28,5х10 1400 15/25 275/385 1.05 7.5 10 1400
DB15/25-16 28,5х28,5х10 1600 15/25 275/385 1.05 7.5 10 1600
DB35-005 28,5х28,5х10 50 35 500 1.02 17.5 10 50
DB35-01 28,5х28,5х10 100 35 500 1.05 17.5 10 100
DB35-02 28,5х28,5х10 200 35 500 1.05 17.5 10 200
DB35-04 28,5х28,5х10 400 35 500 1.05 17.5 10 400
DB35-06 28,5х28,5х10 600 35 500 1.05 17.5 10 600
DB35-08 28,5х28,5х10 800 35 500 1.05 17.5 10 800
DB35-10 28,5х28,5х10 1000 35 500 1.05 17.5 10 1000
DB35-12 28,5х28,5х10 1200 35 500 1.05 17.5 10 1200
DB35-14 28,5х28,5х10 1400 35 500 1.05 17.5 10 1400
DB35-16 28,5х28,5х10 1600 35 500 1.05 17.5 10 1600
DBI15/25-005 40х20х10 200 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 50
DBI15/25-01 40х20х10 400 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 100
DBI15/25-02 40х20х10 600 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 200
DBI15/25-04 40х20х10 800 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 400
DBI15/25-06 40х20х10 1000 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 600
DBI15/25-08 40х20х10 1200 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 800
DBI15/25-10 40х20х10 1400 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 1000
DBI15/25-12 40х20х10 1600 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 1200
DBI15/25-14 40х20х10 50 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 1400
DBI15/25-16 40х20х10 100 15/25 275/385 1.05 7.5/12.5 10 1600
DBI25-005A 35х25х4 50 25 390 1.05 12.5 10 50
DBI25-04A 35х25х4 400 25 390 1.05 12.5 10 400
DBI25-08A 35х25х4 800 25 390 1.05 12.5 10 800
DBI25-12A 35х25х4 1200 25 390 1.05 12.5 10 1200
DBI25-16A 35х25х4 1600 25 390 1.05 12.5 10 1600
DBI6-005 40х20х10 200 6 135 1.05 3 10 50
DBI6-01 40х20х10 400 6 135 1.05 3 10 100
DBI6-02 40х20х10 600 6 135 1.05 3 10 200
DBI6-04 40х20х10 800 6 135 1.05 3 10 400
DBI6-06 40х20х10 1000 6 135 1.05 3 10 600
DBI6-08 40х20х10 1200 6 135 1.05 3 10 800
DBI6-10 40х20х10 1400 6 135 1.05 3 10 1000
DBI6-12 40х20х10 1600 6 135 1.05 3 10 1200
DBI6-14 40х20х10 900 6 135 1.05 3 10 1400
DBI6-16 40х20х10 1000 6 135 1.05 3 10 1600
Мосты выпрямительные
B125C1500A/B 19х3,5х10 250 1.8 50 10 250
B125D DIL 250 1 40 1.1 1 10 250
B250C1500A/B 19х3,5х10 600 1.8 50 10 600
B250S DIL 600 1 40 1.1 1 10 600
B380C1500A/B 19х3,5х10 800 1.8 50 10 800
B380D DIL 800 1 40 1.1 1 10 800
B40C1500A/B 19х3,5х10 80 1.8 50 10 80
B40D DIL 80 1 40 1.1 1 10 80
B500C1500A/B 19х3,5х10 1000 1.8 50 10 1000
B500S DIL 1000 1 40 1.1 1 10 1000
B80C1500A/B 19х3,5х10 160 1.8 50 10 160
B80D DIL 160 1 40 1.1 1 10 160
CS10D DIL 20 1 40 0.5 1 500 20
GBI10M 32х5,6х17 1000 3 220 10 1000
GBU10M 20,8х3,3х18 1000 8.4 300 1 12 10 1000
KBPC10/15/2500FP
KBPC601 15,2х15,2х6,3 100 3.8 125 1.2 3 10 100
KBU12M 23,5х5,7х19,3 1000 8.4 300 1 12 10 1000
KBU8M 23,5х5,7х19,3 1000 5.6 300 1 8 10 1000
MS500 SuperMicroDIL 1000 0.5 20 1.2 0.5 10 1000
MYS250 MicroDIL 600 0.5 20 1.2 0.5 10 600
PB1001 19х19х6,8 70 10 150 1.2 5 10 35
S80 MiniDIL (TO-269AA) 160 0.8 44 1.2 0.8 10 160

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

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.

Выпрямительные диоды применение нашли в различных электронных, радиотехнических и электрических устройствах. С их помощью осуществляется замыкание и размыкание цепей, детектирование и коммутация импульсов и электрических сигналов, а также другие аналогичные преобразования.

Принцип работы выпрямительного диода

Каждый диод оборудуется двумя выводами, то есть электродами - анодом и катодом. Анод соединяется с р-слоем, а катод - с n-слоем. В случае прямого включения диода на анод поступает плюс, а на катод - минус. В результате, через диод начинает проходить электрический ток.

Если же подачу тока выполнить наоборот - к аноду подать минус, а к катоду - плюс получится так называемое обратное включение диода. В этом случае течения тока уже не будет, на что указывает вольтамперная характеристика выпрямительного диода. Поэтому при поступлении на вход , через диод будет проходить только одна полуволна.

Представленный рисунок наглядно отражает вольтамперную характеристику диода. Ее прямая ветвь расположена в первом квадранте графика. Она описывает диод в состоянии высокой проводимости, когда к нему приложено прямое напряжение. Данная ветвь выражается в виде кусочно-линейной функции u = U 0 + R Д x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U 0 и R Д являются пороговым напряжением и динамическим сопротивлением.

Третий квадрант содержит обратную ветвь вольтамперной характеристики, указывающей на низкую проводимость при обратном напряжении, приложенном к диоду. В этом состоянии течение тока через полупроводниковую структуру практически отсутствует.

Данное положение будет правильным лишь до определенного значения обратного напряжения. В этом случае напряженность электрического поля в области p-n-перехода может достичь уровня 105 В/см. Такое поле сообщает электронам и дыркам - подвижным носителям заряда, кинетическую энергию, способную вызвать ионизацию нейтральных атомов кремния.

Стандартная структура выпрямительного диода предполагает наличие дырок и электронов проводимости, постоянно возникающих под действием термической генерации по всему объему структуры проводника. В дальнейшем происходит их ускорение под действием электрического поля p-n-перехода. То есть электроны и дырки также участвуют в ионизации нейтральных атомов кремния. В этом случае обратный ток нарастает лавинообразно, возникают так называемые лавинные пробои. Напряжение, при котором резко повышается обратный ток, обозначается на рисунке в виде напряжения пробоя U3.

Основные параметры выпрямительных диодов

Определяя параметры выпрямительных элементов, следует учитывать следующие факторы:

  • , максимально допустимая при выпрямлении тока, когда устройство еще не может выйти из строя.
  • Максимальное значение среднего выпрямленного тока.
  • Максимальный показатель обратного напряжения.

Выпрямительные устройства выпускаются различной формы и могут монтироваться разными способами.

В соответствии с физическими характеристиками, они разделяются на следующие группы:

  • Выпрямительные диоды большой мощности, пропускная способность которых составляет до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух видах корпусов. Штыревой корпус изготавливается из стекла, а таблеточный - из керамики.
  • Выпрямительные диоды средней мощности с пропускной способностью от 300 мА до 10 А.
  • Маломощные выпрямительные диоды с максимально допустимым значением тока до 300 мА.

Выбирая то или иное устройство, необходимо учитывать вольтамперные характеристики обратного и пикового максимальных токов, максимально допустимое прямое и обратное напряжение, среднюю силу выпрямленного тока, а также материал изделия и тип его монтажа. Все основные свойства выпрямительного диода и его параметры наносятся на корпус в виде условных обозначений. Маркировка элементов указывается в специальных справочниках и каталогах, ускоряя и облегчая их выбор.

Схемы с использованием выпрямительных диодов отличаются количеством фаз:

  • Однофазные нашли широкое применение в бытовых электроприборах, автомобилях и аппаратуре для электродуговой сварки.
  • Многофазные используются в промышленном оборудовании, специальном и общественном транспорте.

В зависимости от используемого материала, выпрямительные диоды и схемы с диодами могут быть германиевыми или кремниевыми. Чаще всего применяется последний вариант, благодаря физическим свойствам кремния. Данные диоды обладают значительно меньшей величиной обратных токов при одном и том же напряжении, поэтому допустимое обратное напряжение имеет очень высокую величину, в пределах 1000-1500 вольт.

Для сравнения, у германиевых диодов эта величина составляет 100-400 В. Кремниевые диоды сохраняют работоспособность в температурном диапазоне от - 60 до + 150 градусов, а германиевые - только в пределах от - 60 до + 850С. Электронно-дырочные пары при температуре, превышающей это значение, образуются с большой скоростью, что приводит к резкому увеличению обратного тока и снижению эффективности работы выпрямителя.

Схема включения выпрямительного диода

Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.

Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.

При поступлении на анод отрицательных полупериодов напряжения, наступает закрытие диода, и во всей цепи начинается течение незначительного обратного тока. В данном случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эту отсеченную полуволну обозначает синяя прерывистая линия. На схеме условное обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только поверх значка проставляются символы VD.

В результате, через нагрузку, подключенную через диод к сети, будет протекать уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления. Фактически, это и есть выпрямленный переменный ток. Однако такое напряжение подходит лишь для нагрузок малой мощности, запитанных от сети переменного тока. Это могут быть лампы накаливания, которым не требуются особые условия питания. В этом случае напряжение будет проходить через лампу лишь во время импульсов - положительных волн. Наблюдается слабое мерцание лампы с частотой 50 Гц.

При подключении питания с таким же напряжением к приемнику или усилителю мощности, в громкоговорителе или колонках, будет слышен гул с низкой тональностью, частотой 50 Гц, известный как фон переменного тока. В этих случаях аппаратура начинает «фонить». Причиной такого состояния считается пульсирующий ток, проходящий через нагрузку и создающий в ней пульсирующее напряжение. Именно оно и создает фон.

Данный недостаток частично устраняется путем параллельного подключения к нагрузке фильтрующего электролитического конденсатора Сф с большой емкостью. В течение положительных полупериодов он заряжается токами, а во время отрицательных - разряжается с помощью нагрузки RH. Большая емкость конденсатора позволяет поддерживать на нагрузке непрерывный ток в течение всех полупериодов - положительных и отрицательных. На графике такой ток представляет собой сплошную волнистую линию красного цвета.

Тем не менее, данный сглаженный ток все равно не обеспечивает нормальную работу, поскольку половина входного напряжения теряется при выпрямлении, когда задействуется только один полупериод. Этот недостаток компенсируют мощные выпрямительные диоды, собранные вместе в так называемый диодный мост. Данная схема состоит из четырех элементов, что позволяет пропускать ток в течение всех полупериодов. За счет этого преобразование переменного тока в постоянный происходит значительно эффективнее.

Выпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов. Работавыпрямительных диодов основана на явленииодносторонней проводимости p-n перехода иони предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Для выпрямительных диодов характерно небольшое сопротивление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи. Для эффективного выпрямления выпрямительные диоды должны обеспечить наибольший выпрямленный ток и большое обратное напряжение. С целью получения большого прямого тока выпрямительные диоды выполняются с большой площадью контакта, т.е. плоскостными. Обычно допустимое обратное напряжение составляет 75…80 % пробивного напряжения. Большое допустимое обратное напряжение обеспечивается за счет большого удельного сопротивления базовой области материала полупроводника. В подавляющем большинстве случаев выпрямительные диоды работают на промышленных частотах (50 и 400 Гц), верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.

Выпрямительные диоды, в основном, изготавливаются из германия и кремния. На рисунке 1.1 показана конструкция маломощного сплавного диода и его условно-графическое обозначение, а на рисунке 1.2 приведены вольт-

Рис.1.1. Условно графическое обозначение а) и конструкция маломощного диода б).

амперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупровод-никовых выпрямительных диодов для двух температур. Из анализа этих характеристик видно, что:

Прямая ветвь вольтамперной характеристики кремниевых диодов расположена правее, чем для германиевых. Таким образом, пороговое напряжение, при котором наблюдается заметный прямой ток для кремниевого диода, выше германиевого, что несколько ухудшает выпрямительные свойства кремниевых диодов, особенно при выпрямлении напряжений с малой амплитудой;

При комнатной температуре величина обратного тока кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых диодов, из-за меньшей

концентрации неосновных носителей в кремниевом полупроводнике;

Рис.1.2. Вольтамперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупроводниковых выпрямительных диодов для двух температур

Вольтамперные характеристики диодов существенно зависят от температуры. При повышении температуры растет генерация пар носителей тока, что вызывает рост собственной проводимости полупроводника, растут прямой и обратный токи, причем обратный ток растет гораздо быстрее, чем прямой ток, и диод теряет свое основное назначение – одностороннюю проводимость. Установлено, что обратный ток увеличивается у германиевых диодов в 2 раза, а у кремниевых в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 0 С;



Влияние температуры на характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из германия и кремния, различно и для них существует некоторый интервал допустимых температур. Для германиевых диодов этот интервал составляет -60…+70 0 С, а для кремниевых диодов -60…+120 0 С;

Значение напряжения пробоя кремниевых диодов выше, чем у германиевых, при этом у германиевых диодов механизм пробоя обычно является тепловым, а у кремниевых – электрическим за счет лавинного пробоя.

Для изготовления выпрямительных диодов предпочтительным является кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтительнее германиевые диоды, поскольку они имеют меньшее пороговое напряжение, чем кремниевые. В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шоттки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему пороговому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шоттки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольтных выпрямителях.

Параметры, характеризующие свойства выпрямительных диодов, подразделяются на статические и динамические . К статическим относятся:

Постоянный прямой ток I пр при заданном прямом напряжении V пр на диоде;

Значение обратного тока I обр при заданном значении обратного напряжения V обр ;

Рабочий диапазон температур ;

Отводимая мощность , где Т пер и Т кор – температуры перехода и корпуса диода, R T - тепловое сопротивление переход-корпус;

Максимально допустимый прямой ток диода I пр.мак , который в зависимости от диода может составлять от нескольких десятков м А до нескольких к А;

Максимально допустимое обратное напряжение V обр..мак, которое составляет для диодов из германия до 400В, а из кремния до 1000В;

Максимальная мощность рассеяния , где I – ток, протекающий через диод; V – напряжение, приложенное к диоду;

Сопротивление постоянному току в заданной рабочей точке .

К динамическим параметрам относятся:

Средний выпрямленный ток I прср - среднее за период значение прямого тока;

Среднее прямое напряжение V прср при заданном значении среднего прямого тока;

Максимальная частота f мак , на которой I прср уменьшается в раз по сравнению на низкой частоте;

Максимальная емкость диода С мак ;

Внутреннее или дифференциальное сопротивление диода в рабочей точке , где - приращение напряжения и - приращения тока около рабочей точки;

Коэффициент выпрямления при заданном напряжении .

По величине среднего выпрямленного тока выпрямительные диоды делятся на три группы:

Маломощные (на ток до 0,3А);

Средней мощности (на ток от 0,3 до 10А);

Мощные (на ток свыше 10А).

Выпрямительные диоды и их рабочие режимы необходимо выбирать таким образом, чтобы выделяемая на переходе мощность не превышала мощность рассеяния. Из вольтамперной характеристики (рис.1.2) видно, что уже при сравнительно малых прямых напряжениях (менее одного вольта) прямой ток достигает значительной величины и, чтобы не произошел тепловой пробой, необходимо ограничить значение тока так, чтобы выполнялось условие .

Тепловой пробой возможно также избежать отводом выделяемого тепла, что в диоде малой мощности осуществляется непосредственно корпусом, в диодах средней мощности – специальными устройствами – радиаторами, в которые монтируется диод, а в мощных диодах используется принудительное воздушное или водяное охлаждение.

Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. К ним относятся мостовые схемы, умножители напряжения, диодные сборки и т.д. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды, обычно кремниевые, соединены последовательно и собраны в единую конструкцию с двумя выводами.

Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов.

Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов.

Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.

Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды

По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.

Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых - 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.

Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии . У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).

Рис. 4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт

На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1 - 20 пФ).

Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).

Потапов Л. А.