Основные параметры выпрямительных диодов. Выпрямительные диоды Схема прямого и обратного включения выпрямительного диода

Выпрямительный диод - это диод на основе полупроводникового материала, который предназначен для того, чтобы преобразовывать переменный ток в постоянный. Правда, этой функцией сфера применения этих радиодеталей не исчерпывается: они применяются для коммутации, в сильноточных схемах, где нет жесткой регламентации временных и частотных параметров электрического сигнала.

Классификация

В соответствии со значением прямого тока, который является максимально допустимым, выпрямительный диод может иметь малую, среднюю и большую мощности:

• малой - выпрямляют прямой ток до 300 mA;
• выпрямительные диоды средней мощности - от 300 mA до 10 А;
• большой - более 10 А.

Германий или кремний

По применяемым материалам они бывают кремниевые и германиевые, однако более широкое применение нашли кремниевые выпрямительные диоды благодаря своим физическим свойствам.

У них обратные токи в несколько раз меньше, чем в германиевых, в то время как напряжение одинаково. Это дает возможность добиваться в полупроводниках очень высокой величины допустимых обратных напряжений, которые могут составлять до 1000-1500 В. В германиевых диодах этот параметр находится в диапазоне 100-400 В.

Кремниевые диоды способны сохранять работоспособность в диапазоне температур от -60 ºС до +150 ºС, а германиевые - только от -60 ºС до +85 ºС. Это происходит потому, что когда температура становится выше 85 ºС, количество образовавшихся электронно-дырочных пар достигает таких величин, что резко увеличивается обратный ток, и выпрямитель перестает работать эффективно.

Технология изготовления

Выпрямительный диод по конструкции представляет пластину полупроводникового кристалла, в теле которой имеются две области, имеющие разную проводимость. Это послужило причиной того, что их называют плоскостными.

Полупроводниковые выпрямительные диоды делаются так: на области кристалла полупроводника, имеющей проводимость n-типа, происходит расплавление алюминия, индия или бора, а на область кристалла с проводимостью p-типа расплавляется фосфор.

При воздействии высоких температур эти два вещества накрепко сплавляются с полупроводниковой основой. Кроме того, атомы этих материалов диффундируют внутрь кристалла с образованием в нем области с преимущественно электронной или дырочной проводимостью. В итоге образуется полупроводниковый прибор, имеющий две области с различного типа электропроводностью, а между ними образован p-n-переход. Таков принцип работы подавляющего большинства плоскостных диодов из кремния и германия.

Конструкция

Для того чтобы организовать защиту от воздействий извне, а также добиться надежного отвода тепла, кристалл, имеющий p-n-переход, монтируется в корпусе.
Диоды, имеющие малую мощность, производят в корпусе из пластмассы, снабдив гибкими внешними выводами. Выпрямительные диоды средней мощности имеют металлостеклянный корпус уже с жесткими внешними выводами. Детали большой мощности размещаются в корпусе из металлостекла или металлокерамики.

Кремниевые или германиевые кристаллы с p-n-переходом припаивают к кристаллодержателю, который одновременно служит основанием корпуса. К нему же приваривают корпус, имеющий стеклянный изолятор, сквозь который идет вывод одного из электродов.

Диоды малой мощности, которые имеют сравнительно малые габариты и вес, обладают гибкими выводами, при посредстве которых монтируются в схемах.

Поскольку токи, с которыми работают полупроводники средней мощности и мощные выпрямительные диоды, достигают значительных величин, их выводы намного мощнее. Нижняя их часть выполнена в виде массивного основания, отводящего тепло, оснащенного винтом и внешней поверхностью плоской формы, которая призвана обеспечивать надежный тепловой контакт с внешним радиатором.

Характеристики

Каждый тип полупроводников имеет свои рабочие и предельные параметры, которые подбирают для того, чтобы обеспечить работу в какой-либо схеме.

Параметры выпрямительных диодов:

• I прям max - прямой ток, который максимально допустим, А.
• U обрат max - обратное напряжение, которое максимально допустимо, В.
• I обрат - обратный ток постоянный, мкА.
• U прям - прямое напряжение постоянное, В.
• Рабочая частота , кГц.
• Температура работы , С.
• Р max - рассеиваемая на диоде мощность, которая максимально допустима.

Характеристики выпрямительных диодов далеко не исчерпываются данным списком. Однако для выбора детали обычно их бывает достаточно.

Схема простейшего выпрямителя переменного тока

Рассмотрим, как работает схема (выпрямительный диод играет в ней главную роль) примитивного выпрямителя.

На его вход подается сетевое переменное напряжение с положительными и отрицательными полупериодами. К выходу выпрямителя подключается нагрузка (R нагр.), а функцию элемента, выпрямляющего ток, выполняет диод (VD).

Положительные полупериоды напряжения, поступающие на анод, вызывают открывание диода. В это время через него, а следовательно через нагрузку (R нагр.), которая питается от выпрямителя, протекает прямой ток (I прям.).

Отрицательные полупериоды напряжения, поступающие на анод диода, вызывают его закрывание. По цепи протекает небольшой обратный ток диода (I обр.). Здесь диод производит отсекание отрицательной полуволны переменного тока.

В результате выходит, что через подключенную к сети нагрузку (R нагр.), через диод (VD), теперь проходит пульсирующий, а не переменный ток одного направления. Ведь он может проходить исключительно в положительные полупериоды. В этом и заключается смысл выпрямления переменного тока.

Однако такое напряжение может запитать только нагрузку малой мощности, которая питается от сети переменного тока и не предъявляет серьезных требований к питанию, к примеру, лампы накаливания.

Лампа будет пропускать напряжение лишь при прохождении положительных импульсов, вследствие этого электроприбор подвергается слабому мерцанию, имеющему частоту 50 Гц. Правда, вследствие того, что нить подвержена тепловой инертности, она не сможет до конца остывать в перерывах между импульсами, а значит, мерцание будет почти не заметно.

В случае если такое напряжение подать на усилитель или приемник мощности, то в громкоговорителе будет слышен звук низкой частоты (частотой 50 Гц), который называется фоном переменного тока. Этот эффект происходит по причине того, что пульсирующий ток во время прохождения через нагрузку наводит в ней пульсирующее напряжение, порождающее фон.

Подобный недостаток в какой-то мере устраняется, если параллельно нагрузке включить фильтрующий конденсатор (C фильтр), емкость которого достаточно велика.

Конденсатор будет заряжаться импульсами тока при положительных полупериодах, и разряжаться через нагрузку (R нагр.) при отрицательных полупериодах. При достаточной емкости конденсатора за время, которое проходит между двумя импульсами тока, он не успеет полностью разрядиться, а следовательно, на нагрузке (R нагр.) будет постоянно находиться ток.

Но даже таким, относительно сглаженным, током также не следует питать нагрузку, ведь она будет продолжать фонить, потому что величина пульсаций (U пульс.) пока еще достаточно серьезна.

Недостатки

В выпрямителе, работу которого мы только что разобрали, с пользой применяется лишь половина волн переменного тока, вследствие этого на нем происходит потеря более чем половины входного напряжения. Такой вид выпрямления переменного тока получил название однополупериодного, а выпрямители, которые используют этот вид выпрямления, называются однополупериодными. Недостатки однополупериодных выпрямителей успешно устранены в выпрямителях, использующих диодный мост.

Диодный мост

Диодный мост - это компактная схема, которая составлена из четырех диодов, и служит цели преобразования переменного тока в постоянный. Мостовая схема дает возможность пропускать ток в каждом полупериоде, что выгодно отличает ее от однополупериодной. Диодные мосты производятся в форме сборок небольшого размера, которые заключены в корпус из пластмассы.

На выходе корпуса такой сборки имеются четыре вывода с обозначениями «+», «— » или «~ », указывающими на назначение контактов. Однако диодные мосты встречаются и не в сборке, нередко они собираются прямо на печатной плате путем включения четырех диодов. Выпрямитель, который выполняется на диодном мосте, называется двухполупериодным.

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает .

Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.

У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линей­ной функцией

u = U 0 +R Д i

где: u — напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 — пороговое напряжение; R д — динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.

Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .

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.

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

Основное предназначение выпрямительных диодов – преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.

Устройство и конструктивные особенности

Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.

При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.

Обозначения:

• А – вывод катода.
• В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
• С – кристалл n-типа.
• D – кристалл р-типа.
• E – провод ведущий к выводу анода.
• F – изолятор.
• G – корпус.
• H – вывод анода.

Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Классификация по мощности

Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

Перечень основных характеристик

Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.

Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.

Принцип работы

Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением U IN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.

Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой I обр).

В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.

Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.

К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:

• Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
• Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
• Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).

Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).

Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).

Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.

Устройство и принцип работы диодного моста

Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:

• На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
• Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
• На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:

• Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
• Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
• Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
• Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.

Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.

Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.

Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».

На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.

На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.