Выпрямительный диод: принцип действия и основные параметры

Разновидности диодов

Основным элементом выпрямляющего диода является полупроводник. Чаще всего в качестве него применяется кристалл кремния или германия. Кремневые диоды используются чаще, чем германиевые. Это связано с тем, что последние отличаются более высокой величиной обратных токов, что существенно ограничивает допустимую величину обратного напряжения. Для германиевых полупроводников этот показатель не превышает 400 Вольт. У кремниевых диодов максимальное обратное напряжение может достигать 1500 Вольт.

Кроме того, кремниевые полупроводники отличаются более высокой рабочей температурой. Но с этим достоинством связан и существенный минус данных радиоэлементов. Если обратное напряжение приводит к их пробою, то он носит тепловой характер. Это означает, что пробитый кремниевый выпрямитель практически всегда необходимо заменять новым.

Преимуществом германиевых считается небольшое падение напряжения при прямом электротоке.

В зависимости от технологии изготовления полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Первые состоят из небольшой пластины n-типа и стальной иглы, создающей в месте контакта p-n переход. Основными конструктивными элементами плоскостных полупроводниковых диодов являются две соединенные вместе пластины разной электропроводности.

Максимально допустимый прямой ток определяет мощность выпрямительных диодов. Исходя из этой характеристики, их принято делить на:

Слаботочные. Они отличаются небольшими габаритами и малым весом. Выпускаются преимущественно в пластмассовых корпусах. Выпрямляемый ток не превышает 0.3 Ампер.
Диоды средней мощности. Их корпуса изготавливаются из металла, а на одном из выводов (катоде) присутствует резьба, с помощью которой радиоэлемент можно надежно зафиксировать на радиаторе, используемом для отвода тепла. Способны выпрямлять переменный ток от 0.3 до 10 Ампер.
Силовые полупроводниковые выпрямители. Рассчитаны на прямой ток, превышающий 10 А. Выпускаются в металлокерамических или металлостеклянных корпусах таблеточного или штыревого типа.

Существуют еще такие разновидности выпрямительных диодов, как:

Импульсные. Их используют в маломощных электронных схемах. Главной их особенностью является небольшое время, затрачиваемое на переход от закрытого состояния к открытому, и наоборот. Это примерно 100 мкс.
Обращенные. При обратном включении они оказывают небольшое сопротивление проходящему току и намного большее при прямом включении. Обращенные диоды предназначены в основном для выпрямления небольших сигналов с амплитудой напряжения не более 1 Вольта.
Выпрямители Шоттки. Они отличаются небольшим сопротивлением, поэтому используются для выпрямления значительных токов, достигающих десятки ампер. Внутри выпрямителей Шоттки не накапливается тепловая энергия, поэтому отсутствует и рассасывание неосновных носителей электрозарядов.
Стабилитроны. Способны сохранять все свои рабочие характеристики даже в режиме электрического пробоя. За рубежом их называют диодами Зенера.
Диодный мост. Данная схема собирается из четырех элементов. Используется с целью улучшения качества преобразования переменного тока в постоянный. Отличается тем, что способен пропускать ток на протяжении каждого полупериода. Мосты выпускаются в виде устройства, заключенного в корпус из пластика.

Все виды выпрямительных диодов отличаются внешним видом, но их выбор упрощает соответствующее обозначение, нанесенное на корпус. Каталоги с маркировкой и УГО данных полупроводниковых элементов представлены в специальном справочнике. Следует отметить, что маркировка импортных диодов отличается от отечественных. Буквенно-цифровое обозначение отечественных диодов регламентирует ОСТ 11366.919-81. Расшифровка маркировки согласно этому документу представлена на рисунке ниже.

Следовательно, если на корпусе имеется маркировка КД202А, то это будет кремниевый выпрямительный диод средней мощности исполнения А.

Существуют требования и относительно условных графических изображений диодов на схемах.

Как происходит передача?

Если рассматривать последние разработки американских и корейских ученых, то ведущая роль в них принадлежит магнитно-резонансным системам CMRS и DCRS. Технология исследователей из Южной Кореи более совершена. Они сумели передать электрическую энергию на пять метров. За счет работы компактных дипольных катушек DCRS, появилась возможность запитать каждого потребителя в помещении средних размеров без использования проводов.

Конечно, современная аппаратура не столь совершенна, так как есть ограничение длины пути электричества по воздуху. Но мировые ученые работают над этим. Уже сегодня можно заметить, как новые достижения входят в повседневную жизнь.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z_н=R_н. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R_н. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение U_d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление R_н, то и ток в нем i_d_, будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

0,7 Вольт для кремниевых диодов,
0,3 Вольт — для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

пробой — диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
обрыв — здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

Iпр=Uн/Rн — все просто — это закон Ома.

Uн=U-Uоткр — см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода.

При включении диода в цепь переменного тока, помимо прочего, на нем периодически возникает обратное напряжение Uобр. Имейте в виду, следует учитывать его амплитудное значение (Для Uпр, кстати, тоже). Например, для бытовой электрической сети привычное всем напряжение 220В является действующим, а его амплитудное значение составляет 380В. Подробнее про это можно посмотреть на этой странице.

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь — несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант — условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

Далее несколько менее очевидных схем (для постоянного тока):

Диоды могут выступать как «развязывающие» элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А, причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы «или».
Защита от переполюсовки (жаргонное — «защита от дураков»). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод «открывается», когда напряжение на нем достигнет Uоткр, то при Uвнеш <Uвн+Uоткр питание осуществляется от внутреннего источника, иначе — подключается внешний.

История изобретения

В 1873 году английский учёный Фредерик Гутри разработал принцип работы вакуумных ламповых диодов с прямым накалом. Уже через год в Германии физик Карл Фердинанд Браун предположил похожие свойства в твердотельных материалах и изобрел точечный выпрямитель.

В начале 1904 года Джон Флеминг создал первый полноценный ламповый диод. В качестве материала для его изготовления он использовал оксид меди. Диоды начали широко использоваться в радиочастотных детекторах. Изучение полупроводников привело к тому, что в 1906 году Гринлиф Виттер Пиккард изобрел кристаллический детектор.

В середине 30-х годов XX века основные исследования физиков были направлены на изучение явлений, проходящих на границе контакта металл-полупроводник. Их результатом стало получение слитка кремния, обладающего двумя типами проводимости. Изучая его, в 1939 году американский учёный Рассел Ол открыл явление, названное позже p-n переходом. Он установил, что в зависимости от примесей, существующих на границе соприкосновения двух полупроводников, изменяется приводимость. В начале 50-х годов инженеры компании Bell Telephone Labs разработали плоскостные диоды, а уже через пять лет в СССР появились диоды на основе германия с переходом менее 3 см.

Современные тенденции использования, внедрения и развития науки и технологий

В современном мире ведущие роли в становлении нового технологического уклада отводятся термоядерной энергетике, генной инженерии, фотонике, а также нанотехнологиям и робототехнике. Уже сегодня происходит гибкая автоматизация производства товаров, продолжается процесс усовершенствования информационных сетей и транспортных систем.

Все большую популярность приобретают экологически чистые энергоносители и возобновляемые источники энергии. Разрабатываются и используются технологии, позволяющие снизить энергоемкость, а также материалоемкость производства товаров и создавать конструкционные материалы нового типа, с изначально заложенными в них свойствами.

Мостовой тип устройства

Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением. Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца.

Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В). Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.

Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы. Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки.

Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:

U31 = -U13U23 = -U32U21 = -U12.

Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3). Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В. Популярные модели мостовых выпрямителей представлены в таблице ниже:

Таблица характеристик популярных моделей мостовых выпрямителей.

Схема работы устройства

Мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, соединённых в форме «моста», причём вторичная обмотка трансформатора соединяется через противоположные углы «моста», а сопротивление нагрузки соединяется через другие два угла. Выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя, поскольку через «мост» протекает воздействие всего напряжения вторичной обмотки.

В течение первой половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D1, через сопротивление нагрузки RL, через диод D3, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

Свойства трехфазного напряжения

Кривая, действующая только на резистивной нагрузке, неконтролируемое выпрямление (с диодами), не возвращается на ноль, в отличие от моночастотного устройства (мост Грейца). Таким образом, пульсация значительно ниже и размеры индуктора и / или сглаживающего конденсатора менее ограничительны, чем для моста Гейца.

Для получения ненулевого выходного U требуется по меньшей мере две фазы. Минимальное, максимальное и среднее значение напряжения. Численно, для сети 230 В / 400 В выпрямленное напряжение колеблется между минимальным напряжением: 1,5 В мин = 1,5 х (1,414×230) = 488 В, и максимальным: 1,732 Вмакс = 1,732 х (1,414×230) = 563 В.

Будет интересно Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как рассчитать его по формуле

Выходное напряжение трехфазного выходного выпрямителя (зум). 3-фазный полноволновый выпрямитель MDS 130A 400V. 5 терминалов: 3 фазы, + и -. Этот выпрямитель содержит 6 диодов.

Таким образом, можно суммировать следующие моменты:

6 диодов, 2 диода на фазу — слабая пульсация по сравнению с одноволновым выпрямителем (мост Гейца);
среднее значение выпрямленного напряжения: 538 В для сети 230 В / 400 В;
нейтраль не используется трехфазным выпрямителем.

Образование – во главе угла (+)

Нельзя не отметить и того, что, начиная с XXI века, жители развитых стран стали особенно высоко ценить знания. Они превратились в одно из обязательных и незаменимых условий успешного существования среди практически неконтролируемых потоков информации. Т.к. прогресс движется стремительно, все, что должны делать люди во избежание потери контроля над ним, – это неустанно учиться и никогда не стоять на месте. Именно в связи с этим фундаментальную ценность приобретают 2 качества, которые сегодня оказываются полезными везде – и в школе, и в университете, и в профессии. Это:

умение заниматься непрерывным самообразованием;
способность работать в режиме многозадачности.

Учебные заведения постепенно перестраиваются с концепции «дать материал» на концепцию «создать условия, чтобы обучающиеся сами его усвоили». Для этого в педагогику и преподавание вводятся инновационные по своему наполнению методы – игры, проекты, совместные обсуждения и др.

Расширяется и спектр возможностей, благодаря которым знания можно получить. Например, теперь дистанционное образование – абсолютно нормальное явление, вовлеченности в которое не придется стесняться или стыдиться. Возможным становится и связь не только с тем, кто сидит по другую сторону экрана, но и в принципе находится в прямо противоположном уголке земного шара! Это подкрепляется онлайн лекциями, наглядными иллюстративными данными и бесплатными исчерпывающими сведениями (3D-модели, библиотеки, профессиональные порталы), а также аудио- и видео-объяснениями таких вопросов, для разрешения которых раньше нужно было идти исключительно к учителю, профессору, начальнику и т.д. Сейчас для изучения материала даже не понадобится покидать пределы дома. Достаточно уметь концентрироваться на поставленной задаче и правильно организовывать личное время.

Способы подключения

Существует несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определённых схемах и позволяют достичь требуемого результата.

Прямой вариант

Этот способ включения диода в электрическую цепь называют наиболее простым и часто используемым. В его основе лежит подсоединение положительного полюса к области p-типа, а отрицательного — к n-типа.

Описание работы диода при прямом подключении:

На устройство подаётся электрический ток, под воздействием которого образуется электрическое поле в области между двумя электродами. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
Затем происходит резкое сужение запирающего слоя, которое получается из-за значительного снижения напряжения электрического поля.
Следствием этого станет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-типа) в другую (p-типа).
Во время этого процесса показатели дрейфового тока не изменятся, так как они зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области p-n перехода.
Электроны способны перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной из областей будет недостаток частиц, а в другой — избыток.
Из-за этого часть электронов перемещается вглубь полупроводника, что становится причиной разрушения его электронейтральности.
В этом случае полупроводник стремится к восстановлению своей нейтральности и начинает получать заряд от подключённого источника питания. Всё это приводит к образованию тока во внешней электроцепи.

Обратный метод

Этот способ подключения диода к общей схеме используется гораздо реже. В его основе лежит изменение полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Особенности функционирования диода при обратном включении:

После включения источника питания в области p-n перехода образуется электрическое поле. Его направление будет одинаковым с внутренним диффузионным полем.
Из-за этого будет происходить расширение запирающего слоя.
Находящееся в области p-n перехода поле будет ускорять движение электронов, но оставлять неизменными показатели дрейфующего тока.
Из-за всех этих действий будет постепенно нарастать обратное напряжение, которое поспособствует стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Вам это будет интересно Принцип работы реле тока и виды устройств

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
средней силой выпрямленного тока;
материалом прибора и типом монтажа.

В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

Советуем изучить — Что такое фидер в электрике?

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.