Устройство и работа выпрямительного диода. Диодный мост

Здравствуйте уважаемые читатели сайта . Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми диодами. В предыдущей части статьи мы с Вами разобрались с принципом работы диода, рассмотрели его вольт-амперную характеристику и выяснили, что такое пробой p-n

перехода. В этой части мы рассмотрим
устройство
и
работу выпрямительных диодов
.

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования

переменного тока в постоянный. Однако, это далеко не полная область применения выпрямительных диодов: они широко используются в цепях управления и коммутации, в схемах умножения напряжения, во всех сильноточных цепях, где не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам электрического сигнала.

Общие характеристики выпрямительных диодов.

В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды разделяются на диоды малой

,
средней
и
большой
мощности:

малой мощности

рассчитаны для выпрямления прямого тока до 300mA;
средней мощности
– от 300mA до 10А;
большой мощности
— более 10А.

По типу применяемого материала они делятся на германиевые

и
кремниевые
, но, на сегодняшний день наибольшее применение получили
кремниевые
выпрямительные диоды ввиду своих физических свойств.

Кремниевые диоды, по сравнению с германиевыми, имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, что позволяет получать диоды с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения, которое может достигать 1000 – 1500В, тогда как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 – 400В.

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +(125 — 150)º С, а германиевых – лишь от -60 до +(70 – 85)º С. Это связано с тем, что при температурах выше 85º С образование электронно-дырочных пар становится столь значительным, что происходит резкое увеличение обратного тока и эффективность работы выпрямителя падает.

МАРКИРОВКА ДИОДОВ

Под диодом обычно понимают электровакуумные или полупроводниковые приборы, которые пропускают переменный электрический ток только в одном направлении и имеют два контакта для включения в электрическую цепь. Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Диоды бывают низкой, средней, высокой и сверхвысокой частоты. Кроме того, у них различная рассеиваемая мощность: малая, средняя и большая.

УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ДИОДА (НОВАЯ СИСТЕМА)

ПЕРВЫЙ элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал:

Г или 1 — германий или его соединения;
К или 2 — кремний или его соединения;
А или 3 — арсенид галлия;
И или 4 — соединения индия.

ВТОРОЙ элемент (буква) обозначает подкласс диодов:

Д — диоды выпрямительные и импульсные;
Ц — выпрямительные столбы и блоки;
В — варикапы;
Б — диоды Ганна;
И — туннельные диоды;
А — сверхвысокочастотные диоды;
С — стабилитроны;
Г — генераторы шума;
Л — излучающие оптоэлектронные приборы;
О — оптопары.

ТРЕТИЙ элемент (цифра) обозначает основные функциональные возможности прибора. Для подкласса Д (диоды):

1 — выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;
2 — выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока более 0,3 А, но не свыше 10 А;
4 — импульсные диоды c временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс;
5 — импульсные диоды c временем восстановления более 150 нс, но не свыше 500 нс;
6 — импульсные диоды c временем восстановления 30…150 нс;
7 — импульсные диоды c временем восстановления 5…30 нс;
8 — импульсные диоды c временем восстановления 1…5 нс;
9 — импульсные диоды c эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс.

ЧЕТВЕРТЫЙ элемент (число) обозначает порядковый номер разработки. ПЯТЫЙ элемент (буква) условно определяет классификацию приборов.

УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ДИОДА (СТАРАЯ СИСТЕМА)

ПЕРВЫЙ элемент (буква) — название, Д — диод. ВТОРОЙ элемент (номер) обозначает тип диода:

1…100 — точечные германиевые;
101…200 — точечные кремниевые;
201…300 — плоскостные кремниевые;
801…900 — стабилитроны;
901…950 — варикапы;
1001…1100 — выпрямительные столбы.

ТРЕТИЙ элемент (буква) обозначает разновидность прибора. Этот элемент может отсутствовать, если разновидностей диода нет.

Например, диод КД202А расшифровывается так: К — кремниевый диод, Д — выпрямительный диод, 202 — назначение и номер разработки, А — разновидность.

ЦВЕТОВАЯ МАРКИРОВКА ДИОДОВ

Для некоторых типов диодов используется цветная маркировка в виде точек и полосок. Маркировочные полосы (кольца, метки) могут располагаться как со стороны анода, так и со стороны катода. Если маркировочных полос несколько, то следует обратить внимание на их толщину и на метки, определяющие полярность выводов. При совпадении цвета и типа маркировочных меток у различных типономиналов следует обратить внимание на цвет корпуса.

Отличают такие типы диодов:

Семейство Д9 маркируется одним-двумя цветными кольцами района анода.
Диоды КД102 в районе анода обозначаются цветной точкой. Корпус прозрачный.
КД103 имеют дополняющий точку цветной корпус, исключая 2Д103А, обозначаемый белой точкой области анода.
Семейства КД226, 243 маркируются кольцом области катода. Прочих меток не предусмотрено.
Семейство КД247 — два цветных кольца в районе катода.
Диоды КД410 обозначаются точкой в районе анода.

Таблица для определения типономинала отечественных диодов по нанесенной цветовой маркировке:

У импортных диодов система обозначений отличается, при выборе аналога, используйте специальные таблицы соответствия. Маркировка проводится согласно стандартам JEDEC (США) и PRO ELECTRON (Европа).

ОБОЗНАЧЕНИЕ ДИОДОВ НА СХЕМЕ

Условное обозначение диода — треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образуют подобие стрелки, указывающей направление проводимости. Перпендикулярная этой стрелке черточка символизирует катод.

Буквенный код диодов — VD. Этим кодом обозначают не только отдельные диоды, но и целые группы, например, выпрямительные столбы. На основе базового символа построены и условные графические обозначения полупроводниковых диодов с особыми свойствами.

Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными

Технология изготовления таких диодов заключается в следующем: на поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n

-типа расплавляют
алюминий
,
индий
или
бор
, а на поверхность кристалла с электропроводностью
p
-типа расплавляют
фосфор
.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной

или
дырочной
электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними
p-n
переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n

переходом монтируют в корпусе. Диоды
малой мощности
изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды
средней мощности
– в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды
большой мощности
– в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором. Пример выпрямительных диодов германиевого (малой мощности) и кремниевого (средней мощности) показан на рисунке ниже.

Кристаллы кремния или германия (3

) с
p-n
переходом (
4
) припаиваются к кристаллодержателю (
2
), являющемуся одновременно основанием корпуса. К кристаллодержателю приваривается корпус (
7
) со стеклянным изолятором (
6
), через который проходит вывод одного из электродов (
5
).

Маломощные диоды, обладающие относительно малыми габаритами и весом, имеют гибкие выводы (1

) с помощью которых они монтируются в схемах. У диодов средней мощности и мощных, рассчитанных на значительные токи, выводы (
1
) значительно мощнее. Нижняя часть таких диодов представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (радиатором).

Электрические параметры выпрямительных диодов.

У каждого типа диодов есть свои рабочие

и
предельно допустимые
параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

Iобр

– постоянный обратный ток, мкА;
Uпр
– постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max
– максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max
– максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max
– максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота
, кГц;
Рабочая температура
, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.

Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное

напряжение, в котором
положительные
полупериоды выделены красным цветом, а
отрицательные
– синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (
Rн
), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (
VD
).

При положительных

полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод
открывается
. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (
Rн
), питающуюся от выпрямителя, течет
прямой ток
диода
Iпр
(на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных

полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод
закрывается
, и во всей цепи будет протекать незначительный
обратный ток
диода (
Iобр
). Здесь, диод как бы отсекает
отрицательную
полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн

), подключенную к сети через диод (
VD
), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а
пульсирующий
ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.

Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания. Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.

Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока

. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно

нагрузке подключить фильтрующий
электролитический конденсатор
(Cф) большой емкости.

Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф

) во время отрицательных полупериодов
разряжается
через нагрузку (
Rн
). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (
Rн
) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс

) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только
половины
волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины
входного
напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют
однополупериодным
, а выпрямители –
однополупериодными выпрямителями
. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием
диодного моста
.

Основные параметры выбора

Номинальный ток. Первая и одна из самых важных характеристик, по которой следует выбирать, основываясь на том, какая предполагается нагрузка на сеть. Чем выше будет номинальный ток у устройства, тем выше будет и порог его отключения. Но не стоит выбирать автомат с «запасом» по данной характеристике, иначе он может не справиться со своей основной задачей – защитой сети от перегрузок. К тому же, чем выше значение данного параметра у аппарата, тем больше его цена. Расчет подходящего значения номинального тока можно провести по следующей формуле I= P/U, где:

I (А) – искомое значение;

P (Ватт) – суммарная потребляемая мощность. Для её вычисление необходимо сложить мощность всех электроприборов в доме и умножить полученное число на коэффициент 0,7. Потребляемая мощность всегда указывается в паспорте электротехники, а также на её корпусе, обычно сзади на специальной наклейке.

U (В) – напряжение сети.

Полученное значение необходимо округлить до ближайшего из стандартного ряда. Основными считаются автоматические выключатели со значением номинального тока 6А, 10А, 16А, 25А, 32А, 40А, 50А, 63А.

Класс (тип расцепления) – этот параметр обозначается латинской буквой и показывает количество раз превышения номинального тока, при котором автоматический выключатель срабатывает.

A – 2-3 предназначен для проводки большой протяженности в любых зданиях.
B – 3-5 подходит для жилых домов;
C – 5-10 для мест, где в сеть подключается много оборудования, например, для промышленного предприятия или частной мастерской.
D – 10-20 аналогичен C.

Количество полюсов – эта характеристика связана с фазами сети. Для однофазной применяются однополюсные (в электросетях TN-C, TT) и двухполюсные (в электросетях IT) выключатели, а для трехфазной – трехполюсные (в электросетях TN-C, TT, IT) и четырехполюсные (в электросетях TN-S).

Надеемся, что данная статья поможет Вам в выборе подходящего автомата. Но для установки данного оборудования советуем обратиться к квалифицированному специалисту, чтобы монтаж был выполнен правильно и в последствии не возникли неполадки.

Ниже вы найдете правильный ответ на Марка самолета 2 буквы, если вам нужна дополнительная помощь в завершении кроссворда, продолжайте навигацию и воспользуйтесь нашей функцией поиска.