Как из переменного напряжения получить постоянное или как работает диод.

Для того чтобы понять как из переменного напряжения получить постоянное нам необходимо разобраться, чем отличается переменный ток от постоянного и как работает диод.
Переме́нный ток (англ. alternating current) —  электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Диод — это электронный элемент, который пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. На рисунке ниже видно как течёт ток через диод.

У диода есть два вывода катод и анод, существует простой способ запомнить, что подключать к катоду плюс или минус. В слове «анод» столько же букв сколько в слове «плюс», соответственно к аноду подключаем плюс, а в слове «катод» столько же букв сколько в слове «минус», то есть к катоду подключаем минус. Давайте посмотрим как изменится переменное напряжение, после того как оно пройдёт через диод.

На осциллограмме видно, что диод не пропускает отрицательные полупериоды переменного напряжения, такой процесс называют выпрямлением переменного тока. Также надо учитывать, что амплитуда положительной полуволны стала меньше после выпрямления на падение напряжения на диоде.

Падение напряжения на диоде зависит от тока, температуры, и материала из которого он изготовлен и для германиевых диодов составляет около 0,7V. Давайте рассмотрим, что будет если подать на диод отрицательное напряжение или напряжение меньше 0,7V. Картинку можно увеличить кликнув по ней.

Если на диод подать отрицательное напряжение, то ток через него не потечёт. Если подать напряжение меньше 0,7V, то диод не откроется и ток через него тоже не потечёт. Если подать напряжение больше 0,7V, то падение напряжения на диоде всегда будет равно примерно 0,7V для кремневого диода.
Важным параметром диода является максимальный ток, который он может через себя пропустить, а, следовательно, максимальная рассеиваемая мощность. На картинке ниже изображена формула, которая связывает силу тока и мощность диода.

При силе тока 0,001А и падении напряжения 0,7V на диоде будет выделяться мощность равная 0,7mW.
Также есть одна интересная особенность при параллельном соединении диодов, если соединить параллельно 5 штук, максимальный ток каждого диода при этом равен 1А, то максимальный ток через все диоды не будет равен 5А.

Они начнут сгорать друг за другом, связано это с тем, что при одинаковом напряжении, так как двух одинаковых диодов не бывает, то при одном и том же напряжении, ток через них будет отличаться, то есть через какие-то будет течь ток меньше 1А, а через какие-то или какой-то больше, что и станет причиной выхода из строя первого диода, следовательно когда он сгорит тот же ток распределится уже на 4 диода и снова один из диодов или несколько, выйдут из строя и так будет происходить пока все не сгорят.
В заключение хотелось бы сказать про скорость открытия диода. Возьмём обычный выпрямительный диод(1N4007), который применяется там, где частота не превышает 50 – 60Hz и подадим на него, синусоиду частотой 15KHz.

На осциллограмме видно, что на такой частоте диод начинает пропускать часть отрицательной полуволны, объясняется это следующим образом, во время протекания тока возникает накопление неосновных носителей в обеих областях диода. После того как полярность напряжения приложенного к диоду изменяется на противоположную, движение навстречу друг другу неосновных носителей вызовет короткий импульс обратного тока. Длительность описанного выше процесса называют временем восстановления обратного сопротивления базы диода, его можно посмотреть в даташите. Время восстановления обратного сопротивления зависит от емкости p-n перехода. Диоды, работающие на более высоких частотах, обладают меньшей ёмкостью p-n перехода и следовательно меньшим временем восстановления обратного сопротивления.

Давайте возьмём импульсный диод с маркировкой 1N4148 и подадим на него синусоиду частотой 100Khz.

На осциллограмме видно, что отрицательные выбросы отсутствуют.
Пожалуй, это все, что хотелось рассказать про диод.

6. Использование диодов в выпрямлении переменного тока. Виды, принцип работы, расчет выпрямителей

Тут требуется некоторое пояснение по поводу двух источников напряжения. С помощью трансформатора, один источник можно преобразовать в два. Для чего это делается ─ уже отдельный вопрос. Здесь же показано, как можно выпрямить напряжение в таком случае. Давайте опять уберем конденсатор и подключим щуп осциллографа на выходе диодов, а также соединим в нагрузку величиной 100 Ом:

Давайте сравним данную осциллограмму с полученным результатом при однополупериодном выпрямителе:

  В двухполупериодном выпрямителе есть две положительные полуволны, одна проходит через верхний диод верхнего источника, вторая ─ через нижний диод нижнего источника. При этом, частота на выходе диодов увеличилась в 2 раза, по сравнению с однополупериодной схемой. Чем выше частота, тем меньше можно ставить емкость на выходе, поскольку она будет чаще запасать энергию, чем ее будут расходовать. Недостаток есть и у этой схемы. Он заключается в использовании дополнительного источника (в случае с трансформатором приходится использовать дополнительную обмотку).

Рассмотрим направления токов в двух случаях:
1) Когда положительная полярность приложена к точке 1, а отрицательная ─ к  точке 3, положительная полуволна течет через диод D2, отрицательная через ─ D4, как показано на рисунке ниже:
2) Когда положительная полярность приложена к точке 3, а отрицательная ─ к  точке 1, положительная полуволна течет через диод D3, отрицательная через ─ D1, что видно на изображении:
Как видно, в обоих случаях, положительная полярность всегда будет прикладываться к точке 2, а отрицательная ─ к точке 4. Схема без сглаживающего конденсатора на выходе с подключенной нагрузкой 100 Ом, а также, осциллограмма выходного напряжения приведена ниже:

Видно, что выходное напряжение ничем не отличается в сравнении с напряжением двухполупериодном выпрямителе, однако, в данном случае используется всего лишь один источник, и его энергия используется «на полную». Диодов конечно поболее стало, но они очень дешевые и доступные. Также, существует много так называемых «диодных сборок», где в одном корпусе собрана мостовая схема включения диодов, имеющая четыре вывода: два входных и два выходных.

Расчет сглаживающего конденсатора 

  Это очень важный момент, от которого зависит величина пульсации постоянного тока на выходе. Выше уже было сказано, что увеличение емкости приводит к уменьшению выходных пульсаций тока, но бесконечно повышать ее мы не можем, поскольку, чем больше конденсатор-тем больше его габариты и цена. Поэтому, выбирать его желательно, исходя из расчетов. Пульсации выходного напряжения можно расчитать по данной формуле:

C≈(Iн*△t)/△U,                                                                                  (1)

где С ─ емкость сглаживающего конденсатора, Iн ─ ток нагрузки, △t ─ время, проходящее за один период переменного напряжения, △U ─ величина пульсаций напряжения на выходе. Данная формула применима, если считать процесс разряда конденсатора линейным.-3)/1=3100 (мкФ)                                                              

Подключим к мостовой схеме генератор переменного напряжения частотой 50 Герц, а также рассчитанную емкость и сопротивление нагрузки 1 килоом. Схема и осциллограмма напряжения на выходе будут иметь вид:

На осциллограмме видно, что на выходе сформировалось постоянное напряжение (красная полоса) величиной 305, 4 Вольт (показания VB1 и VB2). Поскольку ожидаемые пульсации в районе 1 Вольта, на фоне трехсот вольт их практически не видно, поэтому, с помощью осциллографа мы уберем показания  величины постоянной составляющей напряжения, что позволит нам приблизить форму сигнала на экране, чтобы детально его рассмотреть:

Убрав постоянную составляющую напряжения, и приблизив сигнал, стало четко видно пульсации напряжения. Для их обнаружения, флажок «1» (красный цвет) установлен в максимальный пик пульсации, а флажок «2» (синий цвет) ─ в минимальный. Видно, что данная пульсация составила 724,5 милливольт (параметр VB2-VB1 на панели осциллографа). Итак, полученная на выходе пульсация оказалась меньше требуемой (724,5 милливольт против 1 Вольта). Получился небольшой запас в лучшую сторону!

Что такое полупроводниковый диод — выпрямитель переменного тока

Диодами называют двухэлектродные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока. Это их основное свойство используют, например, в выпрямителях, где диоды преобразуют переменный ток электросети в ток постоянный для питания радиоаппаратуры, в приемниках — для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, то есть преобразования их в колебания низкой (звуковой) частоты.

Наглядной иллюстрацией этого свойства диода может быть такой опыт (рис. 12). В цепь, составленную из батареи 3336Л и лампочки от карманного фонаря (3,5 В X 0,26 А), включи любой плоскостной диод (на рис. 12 он обозначен латинской буквой V), например, из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода, обозначаемый условно треугольником, был бы соединен непосредственно или через лампочку с положительным полюсом батареи, а катод, обозначаемый черточкой, к которой примыкает угол треугольника, с отрицательным полюсом батареи. Лампочка должна гореть.

Измени полярность включения батареи на обратную — лампочка гореть не будет. Если сопротивление диода измерять омметром, го в зависимости от того, как подключить его к зажимам прибора, омметр покажет различное сопротивление: в одном случае малое (единицы или десятки ом), в другом — очень большое (десятки и сотни килоом). Этим и подтверждается односторонняя проводимость диода.

Как устроен и работает диод? У него два электрода: катод — отрицательный и анод — положительный (рис. 13). Катодом служит пластинка германия, кремния или какого-либо другого полупроводника, обладающего электронной проводимостью, или сокращенно полупроводник n-типа (n — начальная буква латинского слова negativus — «отрицательный»), а анодом — часть объема этой же пластинки, но- с так называемой дырочной про-водимостью, или сокращенно полупроводник р-типа

(р — начальная буква латинского слова positivus — «положительный»).

Между электродами образуется так называемый р-n переход — пограничная зона, хорошо проводящая ток от анода к катоду и плохо в обратном направлении (за направление тока принято направление, противоположное движению электронов).

Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, то есть пропускном, либо закрытом, то есть непропускном. Диод бывает открыт, когда к нему приложено прямое напряжение Uпр, иначе, его анод соединен с плюсом источника напряжения, а катод — с минусом.

В этом случае сопротивление р-

n перехода диода мало и через него течет прямой ток IПр, сила которого зависит от сопротивления нагрузки (в нашем опыте — лам-почка от карманного фонаря).

При другой полярности питающего напряжения на р-n переход диода прикладывается обратное напряжение Uобр. В этом случае диод закрыт, его сопротивление велико и в цепи течет лишь незначительный обратный ток диода Iобр.

О зависимости тока, проходящего через диод, от значения и полярности напряжения на его электродах лучше всего судить по вольтамперной характеристике диода, которую можно снять опытным путем (рис. 14).

К свежему элементу 332 или 343 подключи проволочный переменный резистор 7?р сопротивлением 50… 100 Ом, а между его движком и нижним (по схеме) крайним выводом включи последовательно соединенные германиевый плоскостной диод (например, серии Д7 с любым буквенным индексом), миллиамперметр

РА2 и резистор Rогр сопротивлением 10…20 Ом, ограничивающий ток в цепи до 100… 150 мА.

Диод должен быть включен в пропускном направлении, то есть анодом в сторону положительного полюса элемента. Параллельно диоду подсоединены вольтметр постоянного тока PU1, включенный на предел измерений до 1 В и фиксирующий напряжение, подаваемое на электроды диода.

Движок переменного резистора, выполняющего роль делителя напряжения, поставь в крайнее нижнее (по схеме) положение а затем, внимательно следя за стрелками приборов, очень медленно перемещай его в сторону верхнего положения. Запиши показания миллиамперметра при напряжениях на диоде 0,05, 0,1, 0,15 В и т, д до напряжения 0,4…0,5 В через каждые 0,ОЗ В, а затем по этим данным построй на миллиметровой бумаге график (рис. 15).

По горизонтальной оси вправо откладывай пря-мые напряжения на диоде (Uпр), а по вертикальной оси вверх — соответствующие им прямые токи в цепи (Iпр). Соединив точки пересечения значений электрических величин, ты таким образом построишь прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода (на рис. 15 — сплошная линия). Она, правда, не совсем точная, особенно в начальной части, так как небольшой ток течет и через вольтметр, но все же близка к реальной.

О чем может рассказать этот график? При нулевом напряжений на диоде и ток в цепи, в которую он включен, равен нулю. При появлении прямого напряжения диод открывается и пропускает через себя прямой ток.

При напряжении 0,05 В прямой ток не превышает 0,1…0,2 мА, при напряжении 0,1 В — 0,6…0,8 мА, а при напряжении 0,2…0,3 В, когда вольтамперная характеристика начинает круто идти вверх, ток достигает уже 40…50 мА. Небольшой прирост напряжения, а как резко увеличивается ток!

Но значительно повышать напряжение на диоде и тем самым увеличивать ток через него нельзя: из-за чрезмерно большого тока наступает тепловой пробой, и~диод утрачивает свойство односторонней проводимости. Чтобы не случилось этого во время опыта, в цепь был включен ограничивающий резистор R0гр.

Теперь измени полярность включения диода на обратную и точно так же увеличивай напряжение на нем. Что показывает миллиамперметр? Его стрелка стоит возле нулевой отметки. Замени элемент на батарею 3336Л, соедини последовательно две-три таких батареи. Напряжение на диоде растет. Но оно обратное. Диод закрыт, поэтому и тока в цепи практически нет.

Обратная ветвь вольтамперной характеристики на £ис. 15 изображена штриховой линией. Она идет почти параллельно оси Uобр. Но при каком-то достаточно большом обратном напряжении она круто поворачивает и идет вниз. Это предел, при котором диод пробивается обратным напряжением и, как при тепловом пробое, выходит из строя.

Из построенной вольтамперной характеристики видно, что ток Iпр диода в сотни и тысячи раз больше тока Iобр. Так, например, у диода, имеющего такую вольтам-перную характеристику, при прямом напряжении 0,3 В ток IПр равен примерно 70 мА, а при обратном напряжении в 100 В ток Iобр не превышает 200 мкА. Именно по этой причине во второй части первого опыта лампочка не горела.

Если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных плоскостных дио-дов не превышает десятые доли миллиампера, а у точечных еще меньше, то можно считать, что диод является односторонним проводником тока.

Вольтамперную характеристику, подобную той, что изображена на рис. 15, имеет и кремниевый диод, например, серии Д226, но прямая ветвь его характеристики как бы сдвинута вправо. Объясняется это тем, что кремниевый диод открывается при прямом напряжении около 0,5 В, а не при 0,1…0,15 В, как германиевый. При меньшем напряжении на нем диод закрыт-и ток через него практически не течет. Проверь это опытным путем.

Но помни — диод, будь он германиевым или кремниевым, плоскостным или точечным, нельзя включать в прямом направлении без нагрузки: он быстро выйдет из строя из-за недопустимо большого тока, который будет течь через него.

А если диод включить в цепь переменного тока? Он будет работать как выпрямитель, что может подтвердить следующий опыт.

Прежде чем начать этот опыт, хочется напомнить тебе, что электроосветительная сеть, с которой тебе придется иметь дело, таит в себе скрытые опасности. Пренебрежительное отношение к ним может обернуться тяжелыми последствиями.

Как предотвратить неприятности, которые может причинить электросеть? Прежде всего не надо забывать, что она находится под высоким, опасным для тебя напряжением. Никогда не касайся рукой или инструментом оголенных проводов и контактных гнезд штепсельной розетки.

А если потребуется изолировать поврежденный участок провода или подтянуть винты в штепсельной розетке, попроси старших или сам осторожно выверни плавкие предохранители («пробки») на распределительном щите, чтобы обесточить сеть. Только после этого устраняй дефекты или неисправности.

Прежде чем вставить в штепсельную розетку вилку электропаяльника или трансформатора, необходимого для питания от сети приемника или другого радиотехнического устройства, внимательно осмотри их — нет ли оголенных участков, замкнутых проводов, ослабленных или разболтанных контактов. Если все в порядке — включай, но опять-таки осторожно, не касаясь штырьков вилки.

Рекомендуем обзавестись переносной распределительной колодкой с несколькими штепсельными розетками и через нее подключать приборы к сети. Продолжим опыты с диодом (рис. 16).

В цепь вторичной (II) обмотки трансформатора Т, понижающего напряжение электроосветительной сети до 3…5 В, включи диод Д226 или Д7 с любым буквенным индексом или какой-либо аналогичный им плоскостной диод, а последовательно с ним — лампочку от карманного фонаря. Подключи первичную (I) обмотку трансформатора к сети (через плавкий предохранитель F на ток 0,25 А).

Если лампочка горит со значительным перекалом нити, то .включи в цепь резистор, ограничивающий ток в ней до 0,2…0,3 А. Сопротивление этого резистора рассчитай по закону Ома.

Как узнать, какой ток течет через нить накала лампочки — переменный или постоянный? Это можно сделать с помощью вольтметра постоянного тока. Подключи вольтметр параллельно лампочке (на рис. 16 — PU1), но так, чтобы его плюсовой щуп был соединен с проводником, идущим к катоду диода. Прибор покажет какое-то напряжение. Если же прибор подключить к лампочке в другой полярности, его стрелка отклонится в обратную сторону. Уже этот опыт подтверждает, что через лампочку течет ток одного направления, то есть постоянный.

О роде тока можно также судить по его магнитному полю. На катушку из-под ниток намотай 300…350 витков провода диаметром 0,2…0,3 мм в эмалевой, шелковой или бумажной изоляции (ПЭВ, ПЭЛ, ПЭЛШО 0,2…0,3), сделав отвод от 120…150-го витка (отвод нужен будет для опытов на пятом практикуме). У тебя получится катушка индуктивности (рис. 17,а) с каркасом из древесины.

Включи ее в цепь вторичной обмотки того же понижающего трансформатора (на рис. 17,6 — катушка L) последовательно с диодом и лампочкой накаливания. Как и в предыдущем опыте, лампочка должна гореть.

Поднеси к катушке магнитную чстрелку (компас) — она сразу же расположится вдоль оси катушки, указывая на ее магнитные полюсы. Значит, через катушку течет постоянный ток, иначе магнитная стрелка оставалась бы сориентированной на магнитные полюсы Земли.

Поменяй местами включение выводов диода — магнитная стрелка тут же повернется на 180°. Следовательно, при изменении полярности включения диода ток в цепи, в которую он включен, тоже изменяет свое направление.

Что же произошло во внешней цепи вторичной обмотки трансформатора при включении в нее диода? Хорошо пропуская ток одного направления, диод тем самым выпрямляет переменный ток.

В результате ток в цепи стал пульсирующим (см. график на рис. 16) — постоянным по направлению, но изменяющимся по величине с частотой переменного тока. Постоянным, но также пульсирующим, стало и его магнитное поле. Изменив включение диода, ты тем самым изменил направление тока в катушке и расположение ее магнитных полюсов.

Какова в этом опыте роль лампочки? Она, во-первых, служит индикатором включения питания, а во-вторых, ограничивает ток во внешней цепи, оберегая диод от перегрузки.

Если есть радиоприемник, включи его. Независимо от настройки в моменты отключения катушки из цепи вторичной обмотки трансформатора в громкоговорителе приемника раздается характерный треск. Его создают электромагнитные колебания, возбуждаемые слабой электрической искрой, возникающей в цепи с катушкой % момент выключения тока.

Оставь в цепи вторичной обмотки трансформатора только диод и лампочку (как на рис. 16). Лампочка продолжает гореть. Измерь вольтметром переменного тока (на рис. 16 — вольтметр PU2) напряжение на обмотке, а вольтметром постоянного тока PU1 — напряжение на лампочке. На лампочке напряжение почти наполовину меньше, чем на обмотке.

Преобразование переменного тока диодом происходит следующим образом. Во вторичной обмотке трансформатора индуцируется переменное напряжение с частотой 50 Гц. При положительных полупериодах на ее верхнем выводе (на рис. 16 показано знаком «+»)диод открывается. В эти моменты времени через диод и его нагрузку (лампочку) течет прямой ток диода Iпр.

При отрицательных полупериодах на аноде диод закрывается, и в цепи течет лишь незначительный обратный ток Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на графике рис. 16 показано штриховыми линиями), в результате через нагрузку выпрямителя течет пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по силе с частотой 50 Гц. График такого тока можно увидеть только на экране осциллографа.

Проводник, соединенный с катодом диода, является выводом положительного полюса выпрямителя, а свободный конец вторичной обмотки трансформатора — выводом отрицательного полюса выпрямителя.

Получился простейший выпрямитель переменного тока, нагрузкой которого служит лампочка накаливания. А постоянное напряжение на нагрузке меньше напряжения переменного тока на вторичной обмотке, потому что ток через нее идет полуволнами.

В связи с тем что во внешнем участке цепи выпрямителя (в нашем опыте — лампочке) ток течет в основном только при положительных полупериодах напряжения на аноде диода, выпрямитель называют однополу-Периодным.

Такой выпрямитель может найти практическое применение, например, для питания микроэлектродвигателя постоянного тока, для зарядки малогабаритных аккумуляторов (типа Д~0,06, Д-0,2). Попробуй в порядке эксперимента подключить к нему (одноименными полюсами) полностью разрядившуюся батарею 3336Л. Через 30…40 мин отключи батарею от выпрямителя и подключи к ней лампочку от карманного фонаря. Лампочка будет гореть, но недолго: электрический заряд, принятый батареей, быстро израсходуется.

Еще один опыт с однополупериодным выпрямителем. Подключи к выходу выпрямителя, нагруженному лампочкой, головные телефоны (на рис. 18 — В). В телефонах услышишь звук низкого тона, соответствующий частоте пульсаций выпрямленного тока (50 Гц).

Его называют фоном переменного тока. Затем, не отключая телефоны, подключи к выходу выпрямителя конденсатор емкостью 5…10 мкФ (на рис. 18™ конденсатор С).

Если этот конденсатор электролитический, его положительная обкладка-должна быть соединена с плюсом, а отрицательная — с минусом выпрямителя. Лампочка при этом будет гореть чуть ярче, потому что напряжение на выходе выпрямителя увеличилось (проверь вольтметром), а уровень фона станет меньше. Тональность же прослушиваемого звука в телефонах остается прежней.

Какова в этом опыте роль конденсатора? В моменты времени, когда диод открыт, конденсатор заряжается до максимального (амплитудного) значения импульсов выпрямленного напряжения, а когда диод закрыт, то -разряжается через нагрузку выпрямителя.

Происходит «сглаживание» пульсаций выпрямленного напряжения, в результате среднее значение тока во внешней цепи несколько возрастает, а фон переменного тока снижается.

Увеличение емкости конденсатора улучшает сглаживание пульсаций выпрямленного тока, и фон ослабевает. Но при однополупериодном выпрямителе полезно используется только один полупериод переменного тока. Чтобы при том же понижающем трансформаторе использовать оба полупериода переменного тока, в выпрямителе должны работать два или четыре однотипных диода.

Проведи опыт с выпрямителем на четырех диодах, включенных по так называемой мостовой схеме. Диоды могут быть серий Д226, Д7 с любым буквенным индексом. Соедини их между собой и подключи к вторичной обмотке того же понижающего трансформатора точно по схеме, показанной на рис. 19.

Если полярность или последовательность включения диодов будет неправильна, опыт не удастся, а некоторые из диодов могут испортиться. Диоды, включенные таким способом, образуют выпрямительный мост, а каждый из диодов — плечо моста. Между точками А и Б включи лампочку Я от карманного фонаря, а последовательно с ней — резистор Rorp, ограничивающий ток & этой диагонали моста до 0,25…0,3 А.

Включи питание. Горит лампочка? Должна гореть. Измерь вольтметром переменного тока напряжение на вторичной обмотке трансформатора, а вольтметром постоянного тока — между точками А и Б, являющимися выходными контактами выпрямителя. По сравнению с однополупериоднвтм выпрямителем выходное напряжение увеличилось почти вдвое.

В таком выпрямителе в течение каждого полупериода переменного напряжения работают поочередно два диода противоположных плеч, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки трансформатора Т положительный полупериод, ток пойдет через диод VI, нагрузку Н, резистор Rorp и диод V3 к нижнему выводу вторичной обмотки. Диоды VI и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения ток в нагрузке выпрямителя идет в том же направлении, а в самом выпрямителе — через открытые в это время диоды V4 и VI.

Таким образом, здесь используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными. Напряжение постоянного тока на их выходе равно примерно переменному напряжению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора,

Литература:  Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.

Что такое диод: назначение, устройство, принцип работы

В электротехнике используется много радиодеталей, и все они имеют свои особенности, но семейство диодов имеет свои удивительные свойства.

Манипулируя соотношениями примесей или конструктивными особенностями, получают новые возможности этого прибора, используемые совершенно для других целей. Зная, что такое диод, его устройство и принцип работы диода можно научиться использовать его для самых неожиданных решений.

Приглашаем познакомиться с этим многоцелевым и разнообразным радиоэлементом. А начнем с назначения диода.

Назначение диода

Область применения диодов все больше и больше расширяется. Это достигается благодаря тому, что работа над их преобразованием не утихает, а только увеличивается. Рассмотрим, где их можно встретить:

• выпрямление;
• детектирование;
• защита;
• стабилизация;
• переключение;
• излучение.

На заре своего образования диоды назывались выпрямителями. Они способны пропускать ток в одном направлении и задерживать его в противоположном. Благодаря чему переменный ток становился однонаправленным, пульсирующим. То есть напряжение носило волновой характер.

Причем выпрямление могло быть как на одном диоде, тогда на выходе была только положительная полуволна, так и на четырех, в этом случае на выходе оставались и положительная, и отрицательная полуволны.

Другой способ применения – детектирование. Радио и телевизионные сигналы передаются на несущих частотах. В передающих устройствах с помощью модулятора происходит наложение полезного сигнала на несущую частоту.

Чтобы извлечь полезную информацию, чаще всего применяют диод с конденсатором. В этом случае диод работает как однопериодный выпрямитель, а конденсатор фильтрует ненужные частоты.

Диод используется для защиты, например, в коммутируемой цепи с индукционной нагрузкой. Если катушку, по которой проходит ток отключить, то электроны под действием электромагнитного поля продолжат двигаться, создавая для ключа опасное высокое напряжение.

В качестве ключа может быть использован транзистор, который может выйти из строя. Чтобы снять накопленный заряд, параллельно катушке подключают диод, но включают его в обратном направлении относительно движения тока. При отключении выключателя диод возвращает ток на начало катушки, тем самым защищая ключ.

Несколько измененные диоды способны работать в обратном направлении, пропуская через себя ток, когда напряжение превышает допустимое значение. Такие приборы называются стабилитронами, и о них будет сказано ниже.

Для переключения частот часто требуются переменные конденсаторы. Варикап, еще одна разновидность диода, способен менять свою емкость под действием меняющегося обратного напряжения.

Наконец, светодиоды и фотодиоды. Светодиоды способны излучать потоки лучистой энергии, фотодиоды, напротив, преобразуют солнечный свет в электрический ток. Фотодиоды по своему назначению также разнообразны и имеют различное применение.

Из чего состоит диод

Лучше всего понять, что такое диод поможет его строение. Выделим три основные группы:

• вакуумные;
• газонаполненные;
• полупроводниковые.

Как у любого другого радиоэлемента у диода есть выводы. Если перевести слово диод с древнегреческого, то получится два электрода. Они носят название:

В обычном состоянии на анод подается положительное напряжение, на катод отрицательное. В этом случае диод открыт и через него протекает ток.

На оба вывода могут подаваться положительные потенциалы, но на аноде этот потенциал должен превышать катодный.

В вакуумных диодах применяются стеклянные или металлические баллоны, из которых выкачан воздух. Катод может быть:

• прямого накала;
• косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой спиральную нить, по которой проходит ток, разогревая его. При этом высвобождаются электроны, которые устремляются к аноду, если он имеет положительный потенциал относительно катода.

Если на аноде напряжение ниже катодного, то электроны возвращаются назад. Таким образом, происходит выпрямление переменного тока. В лампах с косвенным подогревом катод представляет собой короб или цилиндр, внутри него находится нить накала, разогревающая его.

В отличие от вакуумных диодов в газонаполненных имеется ионизированный газ. Он становится проводником между анодом и катодом. Для включения диода используют сетки или поджигающий электрод.

Вакуумные и газонаполненные диоды способны пропускать большой ток и работать с повышенным напряжением. Однако они потребляют много энергии для своей работы, поэтому на смену им пришли полупроводники.

По проводимости электрического тока различают:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики.

Полупроводники занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят ток, но при определенных условиях у них появляется проводимость. Достигается это, например, добавлением примесей. Различают два вида проводимости:

• с помощью электронов, n-тип;
• с помощью дырок, p-тип.

Материал, основным носителем которого служат положительно заряженные атомы. Для этого добавляют акцепторные примеси, при этом получается материал с недостающим количеством электронов. Для n-типа добавляют донорные примеси, материал обладает избытком электронов.

Соединяя эти два типа получают прибор, способный пропускать ток только в одном направлении.

Как определить анод и катод диода

Диоды бывают разного размера, и маркировка может несколько отличаться. Например, на диодах советского образца на корпусе, который был достаточно большим, непосредственно наносился знак диода, указывающий направление движения.

Корпус, расположенный возле катода, может иметь большое расширение в виде кольца. На некоторых видах устанавливают знаки + и – или делают отметку в виде нарисованного кольца либо точки.

В случае сомнения можно проверить диод с помощью мультиметра, поставив прибор в режим измерения сопротивления или проверки диода, если есть такой режим.

Если сопротивление маленькое, значит, щуп с положительным напряжением подключен к аноду, а минусовой к катоду. Большое сопротивление говорит, что щупы подключены в обратном порядке.

Принцип работы диода

Осталось посмотреть, как работает диод. Когда происходит соединение двух полупроводников разной проводимостью, между ними появляется пограничная полоса с нейтральным зарядом, поскольку часть электронов занимает часть дырок.

При прямом включении положительное напряжение подается на дырочную область, а отрицательное на электронную. В этом случае электроны под действием напряжения перескакивают нейтральную зону и, проходя через дырочную область, устремляются к положительному полюсу источника питания.

Если поменять напряжение, электроны уходят к положительному полюсу, увеличивая нейтральную зону. В этом случае диод закрывается.

Диод в цепи постоянного тока

В схеме с постоянным током диод работает как ключ: открывается, когда прямое напряжение превышает пороговое значение и закрывается, когда это напряжение становится меньше.

Выше было рассмотрена работа диода с катушкой индуктивности. Когда по катушке идет ток, то параллельно подключенный диод находится в закрытом состоянии, так как на аноде и катоде напряжение почти равно.

Когда цепь размыкается, по катушке продолжает идти ток и накапливается. Напряжение на аноде повышается, диод открывается и пропускает лишний заряд через себя. После падения напряжения он закрывается.

Обозначение диода на схемах

Для пояснения работы радиоэлектронного устройства используют электрические принципиальные схемы. Найти диод на схеме не составит труда, потому что обозначение диода осуществляется с помощью треугольника с вертикальным отрезком на его вершине.

Рядом ставится порядковый номер и буквы VD.

Диод в цепи переменного тока

Если диод работает как выпрямитель переменного тока, тогда во время повышения напряжения положительной полуволны диод открывается, а когда напряжение падает ниже порогового значения, он закрывается. Во время отрицательной полуволны включается в работу параллельно подключенный диод, но обращенный в обратном направлении.

Два других подключены таким же образом к нулевому проводу. При каждой полуволне участвуют в работе два диода, один связан с фазным проводом, другой с нулевым. Снимаемое с них положительное и отрицательное напряжение подается в постоянную цепь.

Характеристики диода

Полупроводники очень чувствительны к перегреву, поэтому режим их работы строго оговаривается. Учитываются следующие параметры:
рабочее, максимальное и импульсное обратное напряжение;

1. прямое напряжение;
2. обратный ток;
3. прямой постоянный, импульсный и ток перегрузки;
4. рабочая и максимальная частота;
5. максимальная температура корпуса и перехода.

Допускается максимальное значение только по одному из указанных параметров. После импульса должно пройти оговоренное время, чтобы прибор успел остыть.

Виды диодов

Кроме описанных диодов, используются диоды, у которых характеристики изменены за счет примесей и конструкторских доработок. Остановимся на двух из них: стабилитроне и светодиоде.

Стабилитроны

Работа стабилитрона отличается от работы диода. Подключается он в обратном направлении, то есть на анод подают отрицательное напряжение, а на катод положительное. При таком подключении он работает в пробивном режиме.

Стабилитроны рассчитаны на определенное рабочее обратное напряжение, при достижении которого происходит обратимый пробой. Используются для поддержания определенного напряжения на контролируемом участке цепи. Чтобы ток не превышал рабочее значение, в цепь стабилитрона ставят ограничивающий резистор.

Светодиоды

У полупроводниковых приборов p-n-переход из-за внутреннего сопротивления постоянно греется. Это происходит главным образом во время захвата дырками электронов. Высвобождается энергия, нагревающая переход.

В 60-х годах прошлого столетия был создан светодиод, в котором часть высвобождаемой энергии была лучистой с красным и желто-зеленым свечением. Правда, процентное соотношение было маленьким, всего 0,1% от всей высвобождаемой энергии. Но это было только началом.

В 70-х годах упорные разработки привели к хорошим показателям. Сначала это был 15% выход, затем дошло до 55%. Такой показатель уже превышал к. п. д. ламп накаливания. Испускаемый свет имеет очень узкий спектр, что позволяет получать очень качественное цветное свечение.

Оно намного превосходит свет ламп накаливания, пропущенных через светофильтр. Мощность светового потока также была поднята, это дало возможность использовать светодиоды в качестве освещения.

Тиристоры

Тиристоры – это общее название для мощных диодов, работающих в режиме ключа. Подразделяются на три вида:

1. тринистор;
2. динистор;
3. симистор.

Тринистор имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод. При подаче небольшого управляющего напряжения на управляющий электрод тринистор открывается. Динистор открывается при достижении заданного напряжения на его двух выводах. Симистор – это два динистора, включенных навстречу друг другу. То есть он работает, в отличие от динистора, в двух направлениях.

Исследуя, что такое диод, можно открыть для себя еще много удивительных знаний. Здесь были рассмотрены лишь поверхностные познания, но они уже могут дать понять, что такие элементы радиотехники очень полезны и разнообразны в своем применении.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Выпрямительное свойство — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Выпрямительное свойство — диод

Cтраница 1

Выпрямительные свойства диодов характеризуются также значением обратных токов. Лбр вызывает протекание постоянного обратного тока / Обр.  [1]

Выпрямительные свойства диодов характеризуются также величиной обратных токов.  [2]

Это ухудшает выпрямительные свойства диодов. В связи с этим толщину нейтральных областей лучше уменьшить настолько, насколько это возможно технологически.  [3]

Примером измерительного прибора, в котором используется выпрямительное свойство диода, является диодный-вольтметр, применяемый для измерения напряжения высокой частоты. Измеряемое напряжение высокой частоты выпрямляется диодом и измеряется прибором. Обладая малой входной емкостью, диодный вольтметр позволяет измерять напряжения в широком диапазоне частот.  [5]

По мере повышения частоты приложенного к диоду переменного напряжения выпрямительные свойства диода ухудшаются.  [7]

На очень высоких частотах емкостное сопротивление диода может оказаться настолько малым, что выпрямительные свойства диода почти исчезают, в цепи будет протекать переменный емкостный ток. Для предотвращения указанного явления диоды конструируют с малой величиной Са к. Величину Са к обычно указывают только для диодов, предназначенных для работы па высоких частотах.  [8]

Но на высоких и особенно на сверх высоких частотах емкостное сопротивление уменьшается и, шунтируя R, ухудшает выпрямительные свойства диода. Поэтому для работы на высоких частотах стараются применять диоды с небольшим значением емкости Са. У таких диодов уменьшают размеры анода и катода и удаляют друг от друга их выводы.  [10]

При изменении полярности на малом электроде реагирует вещество Red с большой концентрацией и через диод проходит большой анодный ток. Таким образом, выпрямительные свойства диода проявляются при различных размерах поверхностей электродов и при различных концентрациях окислителя и восстановителя. Такой диод позволяет выпрямлять токи низких и инфранизких частот. Эта особенность связана с низкой скоростью диффузионных процессов в жидкой фазе. Продукт электродного процесса накапливается вблизи поверхности малого электрода и при быстрой смене полярности не успевает уходить в раствор. В результате с ростом частоты переменного тока коэффициент выпрямления падает. Использование уравнений диффузионной кинетики позволяет рассчитать параметры электрохимического диода, указать пределы его оптимального использования и пути улучшения характеристик.  [11]

При повышении температуры возрастают прямой и обратный токи и выпрямительные свойства диода ухудшаются.  [12]

Электрический пробой в кремниевых и германиевых диодах обычно лавинный. Поэтому германиевые диоды чрезвычайно чувствительны даже к кратковременным импульсным перегрузкам. При высокой температуре тепловая генерация носителей в германии вызывает сильное увеличение обратного тока / Оор и выпрямительные свойства диода резко ухудшаются.  [13]

Выпрямление происходит потому, что ток, текущий через диод, лимитируется скоростью подачи вещества к поверхности малого электрода. При определенной полярности на этом электроде реагируют ионы с малой концентрацией и ток, протекающий через диод, мал. При изменении полярности через диод проходит большой ток, так как на ма-лом электроде реагирует вещество с большой концентрацией Таким обра-зом, выпрямительные свойства электро-химического диода появляются при раз-личных размерах площадей поверхностей электродов и при различных концентрациях окисленной и восстановленной форм вещества.  [14]

Предположим, что поверхность одного электрода значительно меньше поверхности другого. При поляризации такой системы протекающий через нее ток лимитируется процессами на маленьком электроде. Если концентрация одной из форм, например окисленной, значительно меньше концентрации другой формы ( в 10 — 100 раз), то описанную ячейку можно использовать для выпрямления тока. Действительно, при катодной поляризации на микроэлектроде реагируют частицы Ох с малой концентрацией и ток, протекающий через диод, мал. При изменении полярности на малом электроде реагирует вещество Red с большой концентрацией и через диод проходит большой анодный ток. Таким образом, выпрямительные свойства диода проявляются при различных размерах поверхностей электродов и при различных концентрациях окислителя и восстановителя. Такой диод позволяет выпрямлять токи низких и инфранизких частот. Эта особенность связана с низкой скоростью диффузионных процессов в жидкой фазе. Продукт электродного процесса накапливается вблизи поверхности малого электрода и при быстрой смене полярности не успевает уходить в раствор.  [15]

Страницы:      1

Нелинейные электрические цепи переменного тока — FINDOUT.SU

Общие сведения

Нелинейными электрическими цепями переменного тока называют электрические цепи переменного тока, в состав которых входят одно или несколько нелинейных элементов (НЭ). Резистивные НЭ работают как в цепи постоянного тока и в цепи переменного тока. Классификация, основные свойства и ВАХ резистивных НЭ обсуждались в разделе 1.7. Помимо резистивных НЭ в цепи переменного тока работают нелинейные индуктивный и емкостной элементы.

Нелинейный индуктивный элемент имеет нелинейную вебер – амперную характеристику ψ(i) (см. рис. 2.1,б – кривая в). Нелинейный емкостной элемент имеет нелинейную кулон — вольтную характеристику q(u) (см. рис. 2.1,в – кривая в). На этих же рисунках приведены условные обозначения этих элементов на схемах замещения.

С помощью нелинейных электрических цепей можно осуществить ряд важных преобразований:

1) Преобразовать переменный ток в постоянный. Устройства, предназначенные для этого, называются выпрямителями.

2) Преобразовать постоянный ток в переменный с помощью устройств, которые называются инверторами.

3) Стабилизировать напряжение или ток.

4) Осуществить с помощью трансформаторов усиление напряжения (или тока), а также мощности в нагрузке.

5) Осуществить деление или умножение частоты источника напряжения.

6) Осуществить степенное и логарифмическое преобразование входного напряжения (или тока) и т.д.

Рассмотрим преобразование переменного тока в постоянный с использованием резистивных НЭ: полупроводниковых диода и тиристора.

 

 

Неуправляемый выпрямитель

Полупроводниковые выпрямители служат для преобразования синусоидальных токов и напряжений. Они применяются в устройствах автоматики и обработки информации, в системах питания силового электрооборудования и т.д. Различают управляемые и неуправляемые выпрямительные устройства. В неуправляемых выпрямительных устройствах для преобразования синусоидального тока в постоянный применяются полупроводниковые диоды, а в управляемых выпрямительных устройствах — тиристоры.

Выпрямительные свойства диода определяются явлениями, возникающими на границе раздела полупроводников с различными типами электропроводности — дырочной (p) и электронной (n). Этот граничный слой называется p-n переходом. Его сопротивление зависит от величины и полярности приложенного к диоду напряжения. На рис. 4.1.приведено условное графиче ское изображение диода и его типовая ВАХ i(u). Диод имеет два вывода: А — анод, К — катод. При прямом включении диода в цепь, когда потенциал анода положительный, а катода отрицательный, через р-n переход возникает ток, обусловленный основными носителями заряда (прямой ток I _пр). Сопротивление p-n перехода в этом случае мало (равно нулю у идеального диода), падение напряжения U _пр на диоде также незначительно. Так как диод – это нелинейный элемент, обладающий активным сопротивлением, то недопустимо большой прямой ток I _пр может вызвать

интенсивный нагрев диода и его разрушение. При обратном включении диода, когда потенциал анода отрицательный, а катода положительный, сопротивление p-n перехода очень большое (равно бесконечности у идеального диода). Поэтому в цепи устанавливается незначительный обратный ток I _обр, обусловленный не основными носителями заряда. При обратном напряжении U _обр, превышающем некоторую критическую для данного диода величину, p-n переход пробивается, и диод выходит из строя.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: максимально допустимый прямой ток I _доп и максимально допустимое обратное напряжение U _обр.max.

По типу конструкции p-n перехода различают точечные и плоскостные диоды. Из-за малой площади перехода точечные диоды относятся к маломощным и применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот. Допустимая мощность рассеяния таких диодов около 10мВт при значениях прямого тока 10 – 20 мА. Так как площади перехода у плоскостных диодов значительны (до 1000мм  в силовых выпрямительных диодах) они относятся к диодам большой мощности и выпускаются с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным). Допустимая мощность рассеяния плоскостных диодов достигает 10кВт при значениях прямого тока до 1000А и обратного напряжения до 1500В. Они в основном используются в силовых преобразователях.

По числу фаз выпрямленного переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и многофазные. Однофазные, в свою очередь, подразделяются на схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления.

Схема рис.4.2. простейшего однополупериодного выпрямителя содержит источник синусоидальной ЭДС, на зажимах которого напряжение , полупроводниковый диод VD, нагрузочный резистор (в дальнейшем нагрузка) R _н и амперметр А.

 

 

Для упрощения расчетов будем считать диод идеальным, т.е. с сопротивлением, равным нулю в прямом направлении и бесконечно большим в обратном. ВАХ идеального диода изображена на рис.4.3. Такой диод представляет собой короткое замыкание для тока в прямом направлении и разрыв для тока в обратном.

 

В течение каждого положительного полупериода питающего напряжения U диод открыт и в нагрузочном резисторе R _н появляется ток i _н в виде полуволн синусоиды (рис.4.4.):

                              (4.1)

Действующее значение тока i_н определяется по формуле:

                                       (4.2)

и может быть измерено амперметром электромагнитной или электродинамической систем.

Постоянные составляющие выпрямительных тока I_о и напряжения U_o (средние за период значения):

                                                            (4.3)

где U – действующее значение напряжения источника питания.

Измеряются I₀ и U₀ соответственно амперметром и вольтметром магнитоэлектрической системы.

 

В течение каждого отрицательного полупериода питающего напряжения U диод закрыт и напряжение U_н и ток i_н нагрузки R_н равны нулю (рис.4.4). Так как напряжение на нагрузке определяет как , то характер его изменения подобен току. Из рис.4.4 видно, что ток и напряжение на нагрузке R_н имеют пульсирующий характер.

Когда диод открыт напряжение на нем равно нулю, т.е. . Закрывается диод отрицательной полуволной синусоиды (рис.4.4). Наибольшее обратное напряжение на диоде

Выбор диодов для схемы однополупериодного выпрямителя осуществляется по формулам:

.                                                         

Основной недостаток такого выпрямителя – высокий уровень пульсаций выпрямленных тока и напряжения. Оценить уровень пульсаций можно по коэффициенту пульсаций К_П:

                                                                      (4.4)

Используя формулы (4.2) и (4.3) можно рассчитать коэффициент пульсации, который для однополупериодного выпрямителя составляет K =1,21. Чем меньше коэффициент пульсации, тем более эффективен выпрямитель переменного тока.

Повысить эффективность выпрямителя возможно за счет использования однофазного двухполупериодного выпрямителя. Мостовая схема такого выпрямителя показана на рис.4.5. Выпрямитель содержит 4 диода VD1…VD4, установленные в плечи моста.

 

 

Диоды являются идеальными, их ВАХ изображена на рис.4.3. К одной диагонали моста подключен источник питания, на зажимах которого синусоидальное напряжение . В другую диагональ моста включена нагрузка R _н.

В этом выпрямителе используются обе полуволны входного синусоидального напряжения u. Когда идет положительная полуволна синусоидального напряжения, потенциал точки a выше потенциала точки b, диоды VD1 и VD2 противоположных плеч моста открыты и по нагрузке R _н протекает ток i _н (рис.4.6.). Два другие диода VD3 и VD4 в это время закрыты. Это график  на рис.4.6.

Когда идет отрицательная полуволна входного синусоидального напряжения потенциал точки b выше потенциала точки a, диоды VD3 и VD4 открыты, а VD1 и VD2 закрыты. Но ток в нагрузке R _н имеет тоже направление, что и при положительной полуволне входного синусоидального напряжения.

Напряжение U _н и ток i _н нагрузки R _н (рис.4.6) имеют вид положительных полусинусоид и описываются как

                  .

Действующее значение тока определяется как .

Средние за период значения выпрямленных тока I _о и напряжения U _о:

где  — действующее значение напряжения источника питания.

Когда диоды закрыты, к ним приложена, как и в схеме однополупериодного выпрямителя, отрицательная полуволна синусоиды входного напряжения. Наибольшее обратное напряжение на каждом из закрытых диодов

Выбор диодов для мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя производится по формулам:

.

Коэффициент пульсации K_п, рассчитанный по формуле (4.4), равен 0,482.

Следовательно, двухполупериодный выпрямитель более эффективен: при одинаковых значениях входного напряжения и нагрузки и одинаковом использовании диодов средние значения выпрямленных тока и напряжения у него в 2 раза больше, а коэффициент пульсации значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя.

В рассмотренных выше однофазных выпрямителях ток и напряжение на нагрузке изменяются от максимального значения до нуля. С увеличением числа фаз источника питания выпрямителя кривые тока и напряжения на нагрузке получаются более сглаженными.

На рис.4.7. приведена схема трехфазного выпрямителя с тремя диодами, предложенная в 1904 году В.Ф.Миткевичем.

Диоды VD1…VD3 включены во вторичные обмотки трехфазного трансформатора. Нагрузка R _н включена между узловыми точками, образованными диодами и вторичными обмотками трансформатора. На рис.4.8. показаны положительные полуволны фазных напряжений U _а, U _в, U _с вторичной обмотки трансформатора. Рассматривая идеальные диоды, легко убедиться в том, что диоды работают поочередно: когда положительное напряжение U _в превысит U _а, диод VD1 в фазе А окажется запертым и начнет работать диод VD2 в фазе В. Затем, когда положительное напряжение U _с превысит U _в, диод VD2 в фазе В запрется, откроется диод VD3 в фазе С и т.д. Огибающая положительные полуволны фазных напряжений, показанная на рис.4.8. жирной линией, является кривой напряжения U _н на нагрузке R _н. Так как , то кривая тока на нагрузке будет подобна кривой напряжения U _н.

 

 

Средние за период значения выпрямленных напряжения U _о и тока I _о (постоянные составляющие):

где U — действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Наибольшее обратное напряжение на каждом из закрытых диодов

Выбор диодов для трехфазного выпрямителя (рис.4.7.) производится по формулам:

; .

Коэффициент пульсации может составить .

При выпрямлении переменного тока по любой из выше рассмотренных схем выпрямителей получаются пульсирующими напряжение и ток нагрузки. Для снижения пульсации могут быть использованы сглаживающие фильтры.

 

 

Для сглаживания пульсации напряжения на нагрузке R _н используется емкостной фильтр С (рис.4.9,а), который подключается параллельно нагрузке. Для сглаживания пульсации тока на нагрузке используется индуктивный фильтр L (рис.4.9,б), который подключается последовательно с нагрузкой. Смешанный индуктивно-емкостной фильтр L-C (рис.4.9,в) используется для одновременного сглаживания пульсации тока и напряжения.

Рассмотрим работу емкостного фильтра в мостовой схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя (рис.4.5.).

Сглаживающее действие емкостного фильтра объясняется тем, что через емкость проходит переменная составляющая тока, а через сопротивление нагрузки — постоянная составляющая. Процесс сглаживания основан на том, что емкость – накопитель электрической энергии. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение положительного полупериода достигнет напряжения на емкости  (точка 1 на рис.4.10,а), диоды VD1 и VD2 открываются, через них проходит ток и емкость заряжается. После того как напряжение на емкости достигнет амплитудного значения входного напряжения  (точка 2 на рис.4.10,а), диоды VD1 и VD2 запрутся, ток через них проходить не будет и емкость разряжается на сопротивление нагрузки. Напряжение на емкости будет постепенно спадать. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение отрицательного полупериода достигнет напряжения на емкости  (точка  на рис.4.10,а), диоды VD3 и VD4 открываются, через них проходит ток и емкость вновь заряжается и т.д. На рис.4.10,а жирной линией показана кривая напряжения на нагрузке R _н после сглаживания его емкостным фильтром U_C = U_Н.

На рис.4.10,б изображены импульсы тока , которые проходят через открытые диоды в интервалах от  до .

Постоянная составляющая напряжения U _о на нагрузке:

Коэффициент пульсации К_п определяется по формуле:

и может достигать 0,3…0,2.

 

 

Управляемый выпрямитель

При создании управляемых выпрямителей широкое применение нашли тиристоры.

 

Тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор, в котором чередуются слои с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью, образуя три p-n перехода П₁, П₂ и П₃. Он имеет три вывода: А — анод, К — катод, УЭ – управляющий электрод (рис.4.11,а,б). Рассмотрим свойства тиристора при отсутствии тока управления .

При подведении к тиристору напряжения в прямом направлении (на аноде – плюс, на катоде — минус) (рис.4.11,в) переходы П₁ и П₃ открыты, а переход П₂ закрыт.

Сопротивление закрытого перехода велико, поэтому ток в тиристоре мал (участок 0 – а на ВАХ рис.4.12.), и тиристор остается в закрытом состоянии. Участок 0 – а ВАХ представляет собой обратную ветвь ВАХ закрытого p-n перехода П₂.

 

 

При напряжении U_пр = U_пер (точка б на рис.4.12) происходит переключение тиристора, т.е. переход тиристора из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее) состояние.

На участке б-в ВАХ происходит скачкообразное уменьшение прямого напряжения на тиристоре от напряжения переключения U_пер до значений 0,5…2В, так как все три p-n перехода открыты и их сопротивления малы. При дальнейшем увеличении напряжения U источника или уменьшении сопротивления R _н (рис.4.11,в) ток в тиристоре возрастает в соответствии с участком в-г ВАХ.

При уменьшении прямого тока до величины тока удержания I_уд происходит выключение тиристора, т.е. переход из открытого состояния в закрытое. При этом восстанавливается высокое сопротивление перехода П₂.

Влияние тока управления I_у на величину напряжения переключения тиристора показывает семейство кривых на рис.4.12. При достаточно большом токе управления I_у.спр ВАХ тиристора приближается к ВАХ диода с одним p-n переходом.

При подаче на тиристор обратного напряжения (на аноде – минус, на катоде — плюс) переходы П₁ и П₃ закрыты, а П₂ открыт. Тиристор закрыт. Обратная ветвь ВАХ тиристора аналогична обратной ветви ВАХ полупроводникового диода. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше .

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: закрытое и открытое. Переход тиристора из закрытого состояния в открытое с помощью тока управления, называется включением тиристора. На практике чаще всего применяется импульсный способ включения тиристора. При этом в цепь управления подается кратковременный импульс тока необходимой амплитуды и длительности.

В цепи переменного тока тиристор можно включить в любой момент положительной полуволны прямого напряжения путем подачи импульса на управляющий электрод. Выключение тиристора здесь происходит при прохождении тока через нуль. Прямой ток можно прервать размыканием анодно-катодной цепи, либо кратковременным замыканием накоротко анода и катода.

Рассмотрим процессы в цепи управляемого однополупериодного тиристорного выпрямителя, диодный аналог которого приведен на рис.4.2. В управляемых выпрямителях используются, как правило, тиристоры с фазным управлением. Принципиальная схема такого выпрямителя приведена на рис.4.13,а.

 

На входе выпрямителя напряжение изменяется по закону  (рис.4.13,б). В интервале 0 —  положительной полуволны напряжения источника питания, пока не подан управляющий сигнал U _уп с блока управления БУ тиристор VD закрыт, ток в нагрузке R _н отсутствует и напряжение U _н на нем равно нулю. В момент времени t₁ (рис.4.13,б), определяемый углом управления , от блока БУ поступает импульс напряжения U _уп на управляющий электрод тиристора, он включается, и появляются ток и напряжение в нагрузке R _н. Кривая напряжения U _н на нагрузке в интервале  повторяет кривую напряжения источника питания. При переходе напряжения источника через нуль( )ток в тиристоре становится равным нулю и он выключается. Период Т повторения управляющих импульсов напряжения U _уп, отпирающих тиристор, равняется периоду входного напряжения .

В интервале  к тиристору приложено обратное напряжение и он закрыт. В момент времени Т+t₁, соответствующий углу , вновь подается управляющий импульс, тиристор включается, появляются ток и напряжение на нагрузочном резисторе и т.д.

Среднее за период значение выпрямленного напряжения:

Изменяя величину угла  от 0  до 180  можно осуществить регулирование среднего значения выпрямленного напряжения от максимального значения, равного , до нуля.

Принципы построения управляемых многофазных выпрямителей аналогичны рассмотренному для однофазного выпрямителя.

 

Коммутатор переменного тока

 

Полезная модель относится к системам железнодорожной автоматики, в частности, к средствам числового кодирования рельсовых цепей. Коммутатор переменного тока содержит тиристоры, силовые и вспомогательные диоды и пороговый блок, при этом катод первого тиристора соединен с анодом первого силового диода и является выходом коммутатора, катод второго тиристора соединен с анодом второго силового диода и является вторым выходом коммутатора, аноды тиристоров и аноды силовых диодов соединены между собой и являются первым управляющим входом коммутатора, к управляющим электродам каждого тиристора подключена катодом цепь из последовательно соединенных вспомогательных диодов, аноды последних диодов соединены между собой и являются вторым управляющим входом коммутатора, пороговый блок выполнен в виде цепи из последовательно соединенных диодов, катод первого диода соединен с первым управляющим входом коммутатора, а анод последнего диода соединен с вторым управляющим входом коммутатора, вспомогательные диоды и диоды порогового блока выполнены в виде TVS-диодов, при этом число TVS-диодов порогового блока должно быть на единицу меньше по сравнению с числом TVS-диодов в управляющих цепях тиристоров. Технический результат — повышение надежности и технологичности коммутатора. 1 ил.

Полезная модель относится к системам железнодорожной автоматики, в частности, к средствам числового кодирования рельсовых цепей.

Известен коммутатор резонансной цепи переменного тока (SU, №422103, Н03К 17/56; Н01Н 47/00, опубл. 30.03.74, бюл. №12), выполненный на диодах и тиристорах и управляемый от внешнего источника питания, гальванически связанного с источником питания коммутируемой цепи. Недостатком этого коммутатора является многоэлементность, наличие гальванической связи двух источников, отсутствие защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Известен коммутатор переменного тока (RU №25306, B61L 23/16; Н03К 17/56, опубл. 27.09.2002 г., бюл. №27), в котором коммутатор выполнен на диодах, тиристорах и пороговом элементе и управляемый энергией источника питания коммутируемой цепи путем замыкания и размыкания входной цепи коммутатора. В этом коммутаторе оптимизировано число элементов, нет необходимости во внешнем источнике питания для цепи управления, введен пороговый элемент для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений в виде варистора.

Недостатком такого технического решения является существенный дрейф порогового уровня варистора в пределах ±20% в течение 10000 ч или 1,14 года (Варисторы постоянные СН2-1. Технические условия ОЖО. 468. 171 ТУ). Последнее означает, что если в начале эксплуатации пороговое значение напряжения варистора было, например, 430 В, то спустя примерно год оно может снизиться до 344 В. Это приводит к тому, что амплитудное напряжение, подаваемое на коммутатор в рабочем режиме, может превысить значение 344 В, (согласно справочника «Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник / В.С.Аркатов, Н.Ф.Котляренко, А.И.Баженов, Т.Л.Лебедева; под ред. В.С.Аркатова. — М.: Транспорт, 1982. — С.200») при

длине рельсовой цепи от 2250 м до 2500 м, удельном сопротивлении балласта 1 Ом·км и расчетном колебании питающего напряжения ±10% амплитуда коммутируемого напряжения составляет . В этом случае коммутатор начинает включаться не по цепи управления, а под воздействием питающего напряжения, посылая в рельсовую цепь непрерывное напряжение вместо кодовых сигналов.

Известен бесконтактный коммутатор тока БКТ-2М (Сороко В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник; в 2 кн. Кн.2. — 3-е изд. — М.: НПФ «Планета», 2000. — С.466), в котором коммутатор выполнен на диодах, тиристорах, с пороговым устройством и управляется энергией источника питания коммутируемой цепи путем замыкания и размыкания входной цепи коммутатора. Этот коммутатор является универсальным для применения на участках железных дорог с любым видом тяги. Универсальность обусловила применение силовых диодов и тиристоров на напряжение не менее 1220 В, которое может возникать на участках с электротягой переменного тока в результате векторного сложения амплитудных значений коммутируемого рабочего напряжения частотой 25 Гц и напряжения асимметрии при протекании тягового тока в рельсах частотой 50 Гц. При столь значительном напряжении на силовых элементах бесконтактного коммутатора тока для их защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений пороговое устройство выполнено на стабилитронах, каждый из которых обладает разбросом ±15% от номинального значения и равномерным законом распределения случайной величины порогового напряжения. Кроме того, с целью развязки в цепях управления тиристорами использовано по два включенных последовательно маломощных малогабаритных диода, каждый их которых зашунтирован резистором с целью выравнивания обратных напряжений. Данный коммутатор принят за прототип.

Недостатками бесконтактного коммутатора тока являются многоэлементность управляющей его части и значительный разброс порогового напряжения, образованного цепью из последовательно соединенных восьми

стабилитронов, что снижает надежность коммутатора. Так, если нижнее значение порогового устройства принять 1220 В, то верхнее значение будет 1651 В. Это означает, что какие-то БКТ при выпуске с завода имеют напряжение порогового устройства 1220 В, а какие-то БКТ — 1651 В. Следует принять во внимание, что класс по напряжению остальных полупроводниковых приборов выбирается исходя из верхнего значения (допустимое обратное напряжение силовых и развязывающих диодов и допустимое прямое напряжение тиристоров должны превышать верхнее напряжение порогового устройства 1651 В). Отсюда следует, что разброс стабилитронов прямо влияет на надежность коммутатора.

Задача полезной модели — повышение надежности и технологичности коммутатора переменного тока.

Технический результат достигается тем, что в коммутаторе переменного тока, содержащем тиристоры, силовые и вспомогательные диоды и пороговый блок, при этом катод первого тиристора соединен с анодом первого силового диода и является первым выходом коммутатора, катод второго тиристора соединен с анодом второго силового диода и является вторым выходом коммутатора, аноды тиристоров и катоды силовых диодов соединены между собой и являются первым управляющим входом коммутатора, к управляющим электродам каждого тиристора подключена катодом цепь из последовательно соединенных вспомогательных диодов, аноды последних диодов соединены между собой и являются вторым управляющим входом коммутатора, пороговый блок выполнен в виде цепи из последовательно соединенных диодов, катод первого диода соединен с первым управляющим входом коммутатора, а анод последнего диода соединен с вторым управляющим входом коммутатора, вспомогательные диоды и диоды порогового блока выполнены в виде TVS-диодов, при этом число TVS-диодов порогового блока должно быть на единицу меньше по сравнению с числом TVS-диодов в управляющих цепях тиристоров.

На чертеже представлена схема коммутатора переменного тока.

Коммутатор переменного тока состоит из тиристоров 1, 2 и силовых диодов 3, 4, причем катод тиристора 1 соединен с анодом силового диода 3 и подключен к клемме 5 первого выхода коммутатора, а катод тиристора 2 соединен с анодом силового диода 4 и подключен к клемме 6 второго выхода коммутатора, аноды тиристоров 1 и 2 и катоды силовых диодов 3 и 4 соединены между собой, а к управляющим электродам тиристоров 1 и 2 подключены катодом цепи 7, 8 из последовательно соединенных вспомогательных диодов, содержащих n TVS-диодов, аноды последних диодов объединены и подключены к клемме 9 цепи управления, а другая клемма 10 цепи управления соединена с анодами тиристоров 1 и 2, к которым подключен пороговый блок 11, состоящий из последовательно соединенных (n-1) TVS-диодов, катод первого диода порогового блока 11 соединен с клеммой 10. Анод последнего диода порогового блока 11 соединен с клеммой 9. Клеммы 9 и 10 являются управляющими входами коммутатора.

Коммутатор переменного тока работает следующим образом.

Управление коммутатором осуществляется путем замыкания и размыкания цепи между клеммами 9 и 10. Эту функцию в системах железнодорожной автоматики выполняет кодовый путевой трансмиттер (на чертеже не показан). При замыкании цепи между клеммами 9 и 10 энергией источника питания коммутируемой цепи поочередно включаются тиристоры 1 или 2 в зависимости от мгновенной полярности переменного тока. При этом по цепи между клеммами 5, 6 выходов коммутатора протекает переменный ток, определяемый величиной коммутируемой нагрузки и по времени ограничиваемый продолжительностью замкнутого состояния цепи управления.

Полупроводниковые элементы коммутатора защищены от повреждений грозовыми и коммутационными перенапряжениями, поступающими с выходных клемм 5 и 6. При этом защита диодов 3 и 4 от пробоя осуществляется последовательной цепью порогового блока 11 из (n-1) TVS-диодов, через которую избыток грозового или коммутационного перенапряжения поступает на управляющий электрод соответствующего тиристора 1 или 2 и

включает его. В результате защищаемый диод 3 или 4 шунтируется тиристором 1 или 2.

Благодаря тому, что TVS-диоды имеют разброс пороговых характеристик ±5%, имеется возможность уменьшить классификационные напряжения силовых приборов. Если в качестве конкретного случая рассматривать замену восьми стабилитронов порогового устройства, четырех диодов в цепях управления тиристорами и четырех резисторов, шунтирующих эти диоды, в БКТ-2М (Сороко В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник; в 2 кн. Кн.2. — 3-е изд. — М.: НПФ «Планета», 2000. — С.466) на TVS-диоды, например, типа Р6КЕ440А со средним пороговым напряжением 440 В, то получим нижнее значение порогового устройства 1254 В, то верхнее значение — 1386 В, т.е. существенно меньше, чем в прототипе. При этом вспомогательные диодные последовательные цепи 7 и 8, обеспечивающие развязывающую функцию, должны порог по напряжению иметь больше, чем пороговый блок 11. Данное условие достигается установкой дополнительного TVS-диода в каждой из цепей 7 и 8. При этом благодаря свойству обратимого пробоя (пороговому свойству) обратной вольт-амперной характеристики TVS-диодов выравнивающего делителя из резисторов, шунтирующих диоды, не требуется. Тогда вместо шестнадцати элементов трех наименований (стабилитроны, диоды, резисторы) в прототипе имеем одиннадцать элементов в заявляемом коммутаторе. Таким образом, за счет уменьшения разброса порогового напряжения TVS-диодов, за счет уменьшения числа элементов повышается надежность, а за счет использования одного вида и типа TVS-диодов решается задача повышения технологичности серийного производства коммутаторов переменного тока.

Коммутатор переменного тока, содержащий тиристоры, силовые и вспомогательные диоды и пороговый блок, при этом катод первого тиристора соединен с анодом первого силового диода и является первым выходом коммутатора, катод второго тиристора соединен с анодом второго силового диода и является вторым выходом коммутатора, аноды тиристоров и катоды силовых диодов соединены между собой и являются первым управляющим входом коммутатора, к управляющим электродам каждого тиристора подключена катодом цепь из последовательно соединенных вспомогательных диодов, аноды последних диодов соединены между собой и являются вторым управляющим входом коммутатора, отличающийся тем, что, пороговый блок выполнен в виде цепи из последовательно соединенных диодов, катод первого диода соединен с первым управляющим входом коммутатора, а анод последнего диода соединен с вторым управляющим входом коммутатора, вспомогательные диоды и диоды порогового блока выполнены в виде TVS-диодов, при этом число TVS-диодов порогового блока должно быть на единицу меньше по сравнению с числом TVS-диодов в управляющих цепях тиристоров.

диодов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 63

Применение диодов

Для такого простого компонента диоды имеют множество применений. Вы найдете диод того или иного типа практически в каждой цепи. Они могут быть представлены в чем угодно, от цифровой логики слабого сигнала до схемы преобразования энергии высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.

Выпрямители

Выпрямитель — это схема, преобразующая переменный ток (AC) в постоянный (DC).Это преобразование критично для всякой бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из розеток вашего дома, но именно постоянный ток питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.

Ток в цепях переменного тока буквально чередуется — быстро переключается между положительным и отрицательным направлениями — но ток в сигнале постоянного тока течет только в одном направлении. Итак, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может течь в отрицательном направлении. Похоже на работу для ДИОДОВ!

Однополупериодный выпрямитель можно сделать всего из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, передается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.

Формы сигналов входного (красный / левый) и выходного (синий / правый) напряжения после прохождения через схему полуволнового выпрямителя (в центре).

Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных выпуклостей в сигнале переменного тока в положительные.

Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходной волны, которую она создает (синий / правый).

Эти цепи являются критическим компонентом источников питания переменного тока в постоянный, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока сетевой розетки в сигналы постоянного тока 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Если вы разорвали стенную бородавку, вы, скорее всего, увидели бы там несколько диодов, исправляющих ее.

Можете ли вы заметить четыре диода, образующие мостовой выпрямитель в этой бородавке?

Защита от обратного тока

Когда-нибудь вставлял батарею неправильно? Или поменять местами красный и черный провода питания? Если это так, то диод может быть благодарен за то, что ваша схема все еще жива.Диод, расположенный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение в вашу цепь.

Это применение диода полезно, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному полюсу входной цепи.

Недостатком диода обратной защиты является то, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.Это делает диоды Шоттки отличным выбором для диодов обратной защиты.

Логические ворота

Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические вентили, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.

Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Когда один из входов (или оба) являются логической 1 (высокий / 5 В), выход также становится логической 1.Когда оба входа имеют логический 0 (низкий / 0 В), на выходе через резистор подается низкий уровень.

Логический элемент И построен аналогичным образом. Аноды , обоих диодов соединены вместе, и именно там находится выход схемы. Оба входа должны иметь логическую единицу, заставляющую ток течь по направлению к выходному выводу и также подтягивать его к высокому уровню. Если на каком-либо из входов низкий уровень, ток от источника питания 5 В проходит через диод.

Для обоих логических вентилей можно добавить больше входов, добавив только один диод.

Обратные диоды и подавление скачков напряжения

Диоды

очень часто используются для ограничения возможного повреждения из-за неожиданных больших скачков напряжения. Диоды подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, вроде стабилитронов с низким пробивным напряжением (часто около 20 В), но с очень большими номинальными мощностями (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.

Обратные диоды

выполняют аналогичную работу по подавлению скачков напряжения, в частности, вызванных индуктивным компонентом, например двигателем.Когда ток через катушку индуктивности внезапно изменяется, создается всплеск напряжения, возможно, очень большой отрицательный всплеск. Обратный диод, помещенный на индуктивную нагрузку, даст этому отрицательному сигналу напряжения безопасный путь для разряда, фактически многократно проходя через индуктивность и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.

Это всего лишь несколько вариантов применения этого удивительного маленького полупроводникового компонента.

---

---

← Предыдущая страница
Типы диодов

Что такое диод? | Fluke

Диод — это полупроводниковое устройство, которое, по сути, действует как односторонний переключатель тока.Это позволяет току легко течь в одном направлении, но сильно ограничивает протекание тока в противоположном направлении.

Диоды также известны как выпрямители , потому что они преобразуют переменный ток (ac) в пульсирующий постоянный ток (dc). Диоды классифицируются в соответствии с их типом, напряжением и допустимым током.

Диоды имеют полярность, определяемую анодом (положительный вывод) и катодом (отрицательный вывод). Большинство диодов пропускают ток только тогда, когда на анод подается положительное напряжение.На этом рисунке показаны различные конфигурации диодов:

Диоды доступны в различных конфигурациях. Слева: металлический корпус, крепление на шпильке, пластиковый корпус с лентой, пластиковый корпус с фаской, стеклянный корпус.

Когда диод пропускает ток, он смещен в прямом направлении . Когда диод имеет обратное смещение , он действует как изолятор и не пропускает ток.

Странно, но факт: стрелка символа диода указывает против направления потока электронов.Причина: инженеры придумали символ, и их схемы показывают ток, текущий от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-). То же самое соглашение используется для символов полупроводников, которые включают стрелки — стрелка указывает в разрешенном направлении «обычного» потока и против разрешенного направления потока электронов.

Контрольный диод диода цифрового мультиметра создает небольшое напряжение между контрольными выводами, достаточное для прямого смещения диодного перехода. Нормальное падение напряжения равно 0.От 5 В до 0,8 В. Смещенное в прямом направлении сопротивление хорошего диода должно находиться в диапазоне от 1000 Ом до 10 Ом. При обратном смещении на дисплее цифрового мультиметра будет отображаться OL (что указывает на очень высокое сопротивление).

Диодам присваиваются номинальные значения тока. Если номинальное значение превышено и диод выйдет из строя, он может закоротить и либо а) позволить току течь в обоих направлениях, или б) остановить ток в любом направлении.

Ссылка: Принципы цифрового мультиметра от Glen A.Мазур, американское техническое издательство.

Анализ диодных цепей и потери

Диоды в цепях постоянного тока

Для анализа диодных цепей сначала необходимо определить состояние диода (включен или выключен). Затем диод можно заменить эквивалентной схемой переключателя. Однако в некоторых схемах может быть трудно определить, какой эквивалент переключателя использовать (например, в схемах с более чем одним источником или с более чем одним последовательно включенным диодом). В этих схемах полезно заменить диоды вручную на резистивный элемент и отметить направление тока в результате приложенного напряжения.Если результирующий ток направлен в том же направлении, что и стрелка на символе диода, диод включен.

Пример 1

Для схемы, показанной на рисунке 1, найдите ток диода ( I _D ), напряжение диода ( В _D ) и напряжение на резисторе ( В _R ).

Решение:

Поскольку ток, установленный источником, течет в направлении стрелки диода, диод включен и может быть заменен замкнутым переключателем.

Напряжение на диоде В _D = 0 В

Напряжение на резисторе В _R = В _S — В _D = 20-0 = 20 В

Рисунок 1

Пример 2

Поменяйте местами диод на Рисунке 1 и повторите Пример 1.

Решение:

Направление тока теперь противоположно стрелке. Диод не горит, его можно заменить на разомкнутый выключатель.

Ток через диод I _D = 0 A

Напряжение на резисторе В _R = I _D x R = 0 В

Напряжение на диоде В _D = E _S — В _R = 20-0 = 20 В

Пример 3

Для схемы, показанной на рисунке 2, найдите ток (I) и напряжения В ₀ , В ₁ и В ₂ .

Решение:

Два источника помогают друг другу в замкнутом контуре; диод горит и может быть заменен замкнутым переключателем.

Применение закона напряжения Кирхгофа (KVL)

E ₁ — V ₁ — V ₂ + = E2 = 0

E ₁ — I (R ₁ ) — I (R ₂ ) + E ₂ = 0

Решение для I,

I = (E ₁ + E ₂ ) / (R ₁ + R ₂ ) = 25/7 = 3.5 мА

В ₁ = I x R ₁ = 17,5 В

V2 = I x R2 = 7,0 В

Рисунок 2

Диоды в цепях переменного тока

В цепях

переменного тока напряжение меняется со временем. Следовательно, могут быть моменты, когда напряжение переменного тока смещает диод в прямом направлении, и время, когда оно смещает в обратном направлении тот же диод. Анализ схемы может быть выполнен отдельно для положительных и отрицательных полупериодов. Следует отметить, когда полярность напряжения на диоде смещает его в прямом направлении, а когда — в обратном.Затем диод можно заменить его эквивалентной схемой переключателя

. Рисунок 3 Пример 4

Найдите эквивалентную схему переключателя диода с напряжением источника переменного тока В _S , как показано на рисунке 3.

Решение:

Во время положительного полупериода анод более положительный, чем его катод, и поэтому диод смещен в прямом направлении. Мы можем заменить диод на замкнутый переключатель.

Во время отрицательного полупериода анод более отрицательный, чем его катод, и поэтому диод имеет обратное смещение.Мы можем заменить диод открытым выключателем.

Пример 5

Для схемы, показанной на рисунке 4, нарисуйте формы волны напряжения на сопротивлении ( В _R ) и напряжения на диоде ( В _D ).

Решение:

Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении и поэтому может быть заменен замкнутым переключателем. Напряжение на диоде равно нулю, а напряжение на резисторе такое же, как напряжение источника.Во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении и поэтому может быть заменен разомкнутым переключателем. Напряжение на резисторе равно нулю, а напряжение на диоде такое же, как напряжение источника.

Рисунок 4 Рисунок 5: Осциллограммы VR и VD

Диодные потери

Суммарные потери мощности, возникающие в диоде, складываются из потерь во включенном, выключенном и выключенном состояниях.

P _T = P _ON + P _OFF + P _SW

Где

P _ON = V _F x I _F x (t _ON / T)

P _ВЫКЛ = V _R x I _R x (t _ON / T)

P _SW = P _{SW (ВКЛ)} x P _{SW (ВЫКЛ)}

P _{SW (ВКЛ)} = 1/6 В _{F (MAX)} x I _{F (MAX)} x t _F x f

P _{SW (ВЫКЛ.)} = 1/6 В _{F (MAX)} x I _{F (MAX)} x t _R x f

В этих уравнениях

В _F = прямое напряжение

I _F = Прямой ток

В _R = обратное напряжение

I _R = обратный ток утечки

t _ВКЛ = время срабатывания диода

t _ВЫКЛ = время, в течение которого диод смещен в обратном направлении

I _F = Время переключения в прямом направлении

I _R = Время переключения в обратном направлении

---

Статьи по теме

Диод

Напряжение тока характеристика диода

Формирование обедненного слоя в диоде

Туннельный диод

878DEX-N5 Edwards | Рупорный, переменного тока, диод поляризованный

Свяжитесь с нашими экспертами по фильтрации

Свяжитесь с нашими специалистами по фильтрации, чтобы ответить на вопросы или помочь вам с любым приложением

Услуги по фильтрации:

• Консультации по фильтрации
• Аудит
• Инжиниринг и дизайн
• Обучение и поддержка на месте

Свяжитесь с нашими экспертами по калибрам

Нужна помощь в выборе манометра? Свяжитесь с нашими специалистами, чтобы ответить на вопросы.

Воспользуйтесь нашим инструментом Gauge Finder Tool для поиска по определенным атрибутам в соответствии с потребностями вашего приложения.

Услуги

• Услуги по калибровке манометров
• Сборка и установка манометрического уплотнения
• Сборка и обслуживание разделительной диафрагмы
• Наполнение манометра различными типами заливок
• Диапазоны измерения давления с настраиваемой шкалой
• Контрольные проверки для обеспечения надлежащего функционирования
• Калибровка и ремонт вакуумметра

Свяжитесь с нашими экспертами в области управления движением и автоматизации

Свяжитесь с нашими специалистами, чтобы ответить на вопросы или помочь вам с вашими потребностями в приложении.

Услуги

• Управление и автоматизация
• Службы панели управления
• Проектирование системы управления
• Службы машинного зрения
• Контракты на техническое обслуживание / ремонт
• Услуги ПЛК
• Ремонтный центр Rexroth Indramat

Свяжитесь с нашими специалистами по контролю процессов

Свяжитесь с нашими специалистами, чтобы ответить на вопросы или помочь вам с вашими потребностями в приложении.

Услуги

• Услуги по распределению компонентов
• Управление запасами на месте
• Услуги автоматизации производства
• Экспедитирование товара
• Уведомления об устаревании и замене продукта
• Комплектация и упаковка
• Пользовательская маркировка

Свяжитесь с нашими специалистами по технологическому теплу

Свяжитесь с нашими специалистами, чтобы ответить на вопросы или помочь вам с вашими потребностями в приложении.

Услуги

• Расчет теплопотерь
• Расчет тепловых потерь
• Запуск технологического нагревателя и панели управления
• Пусконаладочные работы и ввод в эксплуатацию тепловой системы
• Поддержка на месте

Свяжитесь с нашими экспертами по работе с жидкостями

Свяжитесь с нашими специалистами, чтобы ответить на вопросы или помочь вам с вашими потребностями в приложении.

Услуги

• Расчет теплопотерь
• Расчет тепловых потерь
• Запуск технологического нагревателя и панели управления
• Пусконаладочные работы и ввод в эксплуатацию тепловой системы
• Поддержка на месте

Диодные приложения (блоки питания, регуляторы и ограничители напряжения) [Analog Devices Wiki]

6.1 выпрямитель

Выпрямитель — это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC), процесс, известный как выпрямление. Выпрямители находят множество применений, в том числе в качестве компонентов источников питания и в качестве детекторов амплитудной модуляции (детекторов огибающей) радиосигналов. В выпрямителях чаще всего используются твердотельные диоды, но при очень высоких напряжениях или токах могут использоваться и другие типы компонентов. Когда для выпрямления переменного тока используется только один диод (блокируя отрицательную или положительную часть формы волны), разница между термином «диод» и термином «выпрямитель» заключается просто в использовании.Термин выпрямитель описывает диод, который используется для преобразования переменного тока в постоянный. Большинство выпрямительных схем содержат несколько диодов в определенной конфигурации для более эффективного преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока, чем это возможно при использовании только одного диода.

6.1.1 Полуволновое выпрямление

При полуволновом выпрямлении либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока проходит, а другая половина блокируется. Поскольку только половина входного сигнала достигает выхода, его эффективность составляет только 50%, если используется для передачи энергии.Полупериодное выпрямление может быть достигнуто с помощью одного диода в однофазном питании, как показано на рисунке 6.1, или с помощью трех диодов в трехфазном питании.

Рисунок 6.1 Полупериодный выпрямитель с одним диодом

Выходное постоянное напряжение полуволнового выпрямителя при синусоидальном входе можно рассчитать по следующим идеальным уравнениям:

6.1.2 Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель преобразует как положительную, так и отрицательную половины входного сигнала в одну полярность (положительную или отрицательную) на своем выходе.При использовании обеих половин формы волны переменного тока двухполупериодное выпрямление более эффективно, чем полуволновое.

При использовании простого трансформатора без вторичной обмотки с отводом по центру требуются четыре диода вместо одного, необходимого для полуволнового выпрямления. Четыре расположенных таким образом диода называются диодным мостом или мостовым выпрямителем, как показано на рисунке 6.2. Мостовой выпрямитель также может использоваться для преобразования входа постоянного тока неизвестной или произвольной полярности в выход известной полярности. Обычно это требуется в электронных телефонах или других телефонных устройствах, где полярность постоянного тока на двух телефонных проводах неизвестна.Существуют также приложения для защиты от случайного переключения батарей в цепях с батарейным питанием.

Рисунок 6.2 Мостовой выпрямитель: двухполупериодный выпрямитель с 4 диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор имеет центральное ответвление, то два диода, соединенные спина к спине (, т.е. анод-анод или катод-катод) могут образовать двухполупериодный выпрямитель. На вторичной обмотке трансформатора требуется вдвое больше обмоток, чтобы получить такое же выходное напряжение, чем у мостового выпрямителя, описанного выше.Это не так эффективно с точки зрения трансформатора, потому что ток течет только в одной половине вторичной обмотки в течение каждого положительного и отрицательного полупериода входа переменного тока.

Рисунок 6.3 Двухполупериодный выпрямитель с центральным трансформатором с ответвлениями и 2 диодами.

Если включить вторую пару диодов, как показано на рисунке 6.4, то могут генерироваться напряжения как положительной, так и отрицательной полярности относительно центрального отвода трансформатора. Можно также рассматривать эту схему как такую ​​же, как добавление центрального ответвителя ко вторичной обмотке в двухполупериодном мостовом выпрямителе, показанном на рисунке 6.2.

Рисунок 6.4 Двухполюсный двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением и 4 диодами.

ALM1000 Лабораторные диодные выпрямители

6.1.3 Сглаживание выхода выпрямителя

Полупериодное или двухполупериодное выпрямление не создает постоянного напряжения постоянного тока, как мы видели на предыдущих рисунках. Чтобы обеспечить стабильное постоянное напряжение от источника выпрямленного переменного тока, необходим фильтр или сглаживающая схема. В простейшей форме это может быть просто конденсатор, подключенный к выходу постоянного тока выпрямителя.По-прежнему останется некоторое количество пульсаций переменного тока, при котором напряжение не будет полностью сглажено. Амплитуда оставшейся пульсации зависит от того, насколько нагрузка разряжает конденсатор между пиками формы волны.

Рисунок 6.5 (a) RC-фильтр однополупериодного выпрямителя

Рисунок 6.5 (b) RC-фильтр двухполупериодного выпрямителя

Выбор конденсатора фильтра C ₁ представляет собой компромисс. Для данной нагрузки, R _L , конденсатор большего размера уменьшит пульсации, но будет стоить дороже и создаст более высокие пиковые токи во вторичной обмотке трансформатора и в источнике питания, питающем его.В крайних случаях, когда много выпрямителей загружено в цепь распределения мощности, для распределительной сети может оказаться затруднительным поддерживать правильно сформированную синусоидальную форму волны напряжения.

Для данной допустимой пульсации требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя за цикл входа. Ток нагрузки и частота питания обычно находятся вне контроля разработчика выпрямительной системы, но на количество пиков на входной цикл может повлиять выбор конструкции выпрямителя.Максимальное пульсирующее напряжение, присутствующее в схеме полноволнового выпрямителя, определяется не только значением сглаживающего конденсатора, но и частотой и током нагрузки, и рассчитывается как:

Где:
В _{пульсация} — максимальное напряжение пульсации на выходе постоянного тока
I _{Нагрузка} — постоянный ток нагрузки
F — частота пульсаций (обычно в 2 раза выше частоты переменного тока)
C — сглаживающий конденсатор

Однополупериодный выпрямитель, рисунок 6.5 (а) будет давать только один пик за цикл, и по этой и другим причинам используется только в очень небольших источниках питания и там, где важны стоимость и сложность. Двухполупериодный выпрямитель, рис. 6.5 (b), дает два пика за цикл, и это лучшее, что можно сделать с однофазным входом. Для трехфазных входов трехфазный мост будет давать шесть пиков за цикл, и даже большее количество пиков может быть достигнуто с помощью трансформаторных цепей, размещенных перед выпрямителем, для преобразования в фазу более высокого порядка.

Чтобы еще больше уменьшить эту пульсацию, можно использовать π-фильтр LC (пи-фильтр), такой как показано на рисунке 6.6. Это дополняет накопительный конденсатор C ₁ последовательной катушкой индуктивности L ₁ и вторым фильтрующим конденсатором C ₂ , так что на выводах конечного конденсатора фильтра может быть получен более стабильный выходной сигнал постоянного тока. Последовательный индуктор имеет высокий импеданс на частоте пульсаций тока.

Рисунок 6.6 LC π-фильтр (пи-фильтр)

Более обычная альтернатива фильтру, необходимая, если для нагрузки постоянного тока требуется очень плавное напряжение питания, — это установка конденсатора фильтра с регулятором напряжения, который мы обсудим в разделе 6.3. Конденсатор фильтра должен быть достаточно большим, чтобы избежать падения пульсаций ниже напряжения падения используемого регулятора. Регулятор служит как для устранения последней пульсации, так и для устранения отклонений в характеристиках питания и нагрузки. Можно было бы использовать конденсатор фильтра меньшего размера (который может быть большим для сильноточных источников питания), а затем применить некоторую фильтрацию, а также регулятор, но это не обычная стратегия проектирования. Крайний вариант этого подхода — полностью отказаться от конденсатора фильтра и направить выпрямленный сигнал прямо во входной фильтр катушки индуктивности.Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная, и, следовательно, выпрямителю больше не приходится иметь дело с током в виде большого импульса тока только на пиках входной синусоидальной волны, а вместо этого подача тока распространяется на большую часть цикл. Обратной стороной является то, что выходное напряжение намного ниже — приблизительно среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое.

6.2 Выпрямители с удвоением напряжения

Простой однополупериодный выпрямитель может быть построен в двух версиях с диодом, направленным в противоположных направлениях: одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока.Комбинируя оба из них с отдельными выходными сглаживающими конденсаторами, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока, рисунок 6.7. Это также обеспечивает отвод посередине, что позволяет использовать такую ​​схему в качестве источника питания с разделенной шиной (положительной и отрицательной).

Рисунок 6.7 Простой удвоитель напряжения.

Вариант этого состоит в том, чтобы использовать два последовательно соединенных конденсатора для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем установить переключатель между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока.При разомкнутом переключателе эта схема будет действовать как обычный мостовой выпрямитель, а при замкнутом — как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (+/- около 15%) постоянного тока из любой сети в мире, которое затем можно подать в относительно простой импульсный источник питания.

Обзор раздела:

• Выпрямление — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC).
  

• Однополупериодный выпрямитель — это схема, которая позволяет приложить к нагрузке только один полупериод формы волны переменного напряжения, в результате чего на ней будет одна неизменяющаяся полярность.Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, значительно «пульсирует».
  

• Двухполупериодный выпрямитель — это схема, которая преобразует оба полупериода формы волны переменного напряжения в непрерывную серию импульсов напряжения одинаковой полярности. Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, не так сильно «пульсирует».
  

• Конденсаторы используются для сглаживания или фильтрации пульсаций, присутствующих в выпрямленном постоянном токе, а иногда используются более сложные фильтры с катушками индуктивности и конденсаторами.

6.3 Стабилитрон как регулятор напряжения

Стабилитроны широко используются в качестве источников опорного напряжения и шунтирующих стабилизаторов для регулирования напряжения в небольших цепях. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения, например, к диодному выпрямителю, который мы только что обсудили, так что он имеет обратное смещение, стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента относительно низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении.

Рисунок 6.8 Опорное напряжение на стабилитроне

В схеме, показанной на рисунке 6.8, типичный шунтирующий регулятор, входное напряжение, В _IN , стабилизируется до стабильного выходного напряжения В _OUT . Напряжение пробоя обратного смещения диода D _Z стабильно в широком диапазоне токов и поддерживает относительно постоянное значение V _OUT , даже если входное напряжение может колебаться в довольно широком диапазоне.Из-за низкого импеданса диода при такой работе используется последовательный резистор R _S для ограничения тока в цепи.

В случае этой простой ссылки ток, протекающий в диоде, определяется с помощью закона Ома и известного падения напряжения на резисторе R _S .

Стоимость R _S должна удовлетворять двум условиям:

• R _S должен быть достаточно малым, чтобы ток через D _Z поддерживал D _Z в обратном пробое.Значение этого тока указано в паспорте производителя для D _Z . Например, обычное устройство BZX79C5V6, 5,6 V 0,5? стабилитрон, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА . Если через D _Z существует недостаточный ток, то V _OUT будет нерегулируемым и будет меньше номинального напряжения пробоя. При расчете R _S необходимо сделать поправку на любой ток через любую внешнюю нагрузку, которая может быть подключена к V _OUT , не показанным на этой диаграмме.
  

• R _S должен быть достаточно большим, чтобы ток через D _Z не превысил номинальный максимум и не разрушил устройство. Если ток через D _Z равен I _D , его напряжение пробоя В _B и максимальная рассеиваемая мощность P _MAX , тогда:

Нагрузка может быть помещена поперек диода в этой опорной цепи, и пока стабилитрон остается в обратном пробое, диод будет обеспечивать стабильный источник напряжения для нагрузки.Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных эталонов для более сложных схем регулятора напряжения, включающих каскады буферного усилителя для подачи больших токов на нагрузку.

Шунтирующие регуляторы просты, но требования, чтобы балластный резистор R _S был достаточно малым, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в худшем случае (низкое входное напряжение одновременно с большим током нагрузки), как правило, оставляет много тока, протекающего в диод, что делает стабилизатор довольно неэффективным с высокой рассеиваемой мощностью в режиме покоя, подходящим только для небольших нагрузок.

Эти устройства также встречаются, обычно последовательно с переходом база-эмиттер, в транзисторных каскадах, где можно использовать выборочный выбор устройства, сосредоточенного вокруг точки лавины или стабилитрона, чтобы ввести компенсационную балансировку температурного коэффициента PN перехода транзистора. Примером такого использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе обратной связи цепи регулируемого источника питания.

В качестве примечания: стабилитроны также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения скачков переходного напряжения.Еще одно примечательное применение стабилитрона — использование шума, вызванного его лавинным пробоем, в генераторе случайных чисел, который никогда не повторяется.

Пример конструкции регулятора:

Требуется выходное напряжение 5 В и требуемый выходной ток 60 мА.

Сначала мы должны выбрать стабилитрон, В _Z = 4,7 В, что является ближайшим доступным значением.

Нам нужно определить номинальное входное напряжение, и оно должно быть на несколько вольт больше, чем В _Z .В этом примере мы будем использовать V _IN = 8V.

Как правило, мы выбираем номинальный ток через стабилитрон равным 10% от требуемого выходного тока нагрузки или 6 мА. Затем определяется ток I _max = 66 мА, который будет протекать через R _S (выходной ток плюс 10%).

Последовательный резистор R _S = (8 В — 4,7 В) / 66 мА = 50 Ом, мы бы выбрали R _S = 47 Ом, что является ближайшим стандартным значением.

Номинальная мощность резистора P _RS > (8В — 4.7 В) × 66 мА = 218 мВт, поэтому выбираем P _RS = 0,5 Вт

Максимальную мощность, которая может рассеиваться в стабилитроне при нулевом токе в выходной нагрузке, можно рассчитать как P _Z > 4,7 В × 66 мА = 310 мВт, поэтому мы бы выбрали P _Z = 400 мВт.

Лабораторная работа ADALM2000: стабилизатор стабилитрона

Упражнение 6.3.1

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, напряжение на нагрузочном резисторе R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN уменьшается, напряжение на нагрузочном резисторе R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, напряжение на последовательном резисторе R _S будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, ток через нагрузочный резистор R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN уменьшается, ток через стабилитрон D _Z будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, ток через последовательный резистор R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Переменный ток и постоянный ток и диоды

переменного и постоянного тока

DC означает, что электроны текут только в одном направлении.Аккумуляторы, автомобильные аккумуляторы — примеры постоянного тока. Мы анализировали структуру батареи в предыдущих главах. Как вы помните, аккумулятор имеет две клеммы: «-» и «+». Электроны притягиваются клеммой «+», и их поток начинается в одном направлении. В постоянном токе в цепь подается постоянное напряжение, поскольку поток идет в одном направлении. Большинство портативных устройств, использующих аккумулятор, работают с постоянным током, например, проигрыватель компакт-дисков, калькулятор и т. Д.

Этот график показывает изменение напряжения во времени.Как видите, напряжение в цепи постоянно.

Напротив, цепь переменного тока означает, что электроны не текут в одном направлении. Они постоянно движутся вперед и назад. В результате этого изменяющегося движения электронов напряжение системы также не является постоянным. Схемы переменного тока показывают синусоидальные графики, как показано ниже.

Большинство электрических устройств в наших домах работают с переменным током, телевизорами, стиральными машинами, феном и т. Д.

Вы можете преобразовать переменный ток в постоянный с помощью трансформатора, который уменьшает величину напряжения, и вы можете использовать диоды в своих схемах.

Диоды

Диоды — это устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении в цепях. Таким образом, от диодов может пройти только половина циклов переменного тока. С помощью этого устройства вы можете легко преобразовать переменный ток в постоянный. Следующая схема показывает использование диодов.

В данной цепи D1 пропускает ток, однако D2 не пропускает ток.

Электротехнические экзамены и решения

Общие электрические схемы и комбинации батарей <Пред.		Далее> Электроэнергия и мощность

Линейные измерения переменного тока с использованием диода

Ищете схемное решение проблемы измерения напряжения переменного тока и ток с помощью измерителей постоянного тока? Синхронное выпрямление решает неприятную проблему, вызванную диодами.

Пару лет назад я построил изолирующий трансформатор с регулируемым автотрансформатором, или Variac, чтобы я мог безопасно работать на оборудовании с горячим шасси. Я также использую его в своих обычных проектах, потому что Variac позволяет мне медленно включать их, чтобы я мог проверять напряжения и находить короткие замыкания, прежде чем что-то взорвется. Ненавижу, когда меня удивляют клубы дыма или обожженный палец.

ОГРОМНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР S

Идея этого проекта принадлежит журналу Electronics Now (декабрь 1997 г., стр.18), в котором предлагалось использовать два одинаковых высоковольтных трансформатора, подключенных между вторичной обмоткой. Я нашел два огромных избыточных трансформатора на 380 В и 500 ВА. При 120 В они могли выдавать ток 4 А, что было идеально.

Я использовал Variac на 3 А, подключенный к первичному выходу второго трансформатора. Я также использовал два миллиамперметра постоянного тока для измерения выходного напряжения Variac и тока любого устройства, которое я подключил к нему. Все это я установил в большую алюминиевую коробку вместе с маленьким вентилятором, двухпозиционным выключателем, предохранителем, розеткой и другими прочими требованиями.

Измерительная схема (см. Рисунок 1) вызвала у меня некоторые проблемы. Поскольку счетчики были постоянным током, я использовал диоды для полуволнового выпрямления напряжений, чтобы они работали правильно. Проблема в том, что такие диоды с PN-переходом являются нелинейными устройствами. Сопротивление диода непостоянно, но зависит от величины проходящего через него тока. Если бы я удвоил напряжение Variac или ток нагрузки, измерители не показали бы соответствующего линейного увеличения. Я легко мог бы заново разметить циферблаты, чтобы отразить это, но я идеалист.

Затем я попытался использовать диоды Шоттки, потому что они работают по другому электрическому принципу, чем типы PN-перехода. Они работали лучше в цепи, но все равно были недостаточно хороши. Германий, которые я пробовал, тоже были нелинейными. Я хотел получить идеальный диод, линейное устройство, которое позволило бы мне точно измерять переменный ток с помощью измерителя постоянного тока, независимо от его уровня.

Один из способов измерения только переменного тока — это использовать трансформатор тока с первичной обмоткой, последовательно соединенной с основной линией, а вторичная обмотка подключена к диодному выпрямителю и измерителю постоянного тока.Этот метод работает путем преобразования тока в пропорциональное напряжение с последующим его повышением, чтобы диод работал в своей линейной области. Для этого идеально подошел бы тороидальный трансформатор, но мне потребовалось бы намотать его самостоятельно, поэтому я решил не идти по этому пути. Если вам нужна дополнительная информация (см. Работу Эрика Лоудона), она содержит отличную главу о трансформаторах тока со всеми подробностями.

СИНХРОННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Более простой способ решить мою дилемму измерения напряжения и тока переменного тока с помощью измерителей постоянного тока — использовать синхронный выпрямитель, использующий силовой полевой МОП-транзистор и трансформатор на 12 В (см. Мою статью «Попробуйте синхронное выпрямление», AE 5/00, стр. .26). Это идеальный диодный выпрямитель. Одно из преимуществ полевого МОП-транзистора заключается в том, что он не имеет падения напряжения на PN-переходе, как у биполярного переходного транзистора. Его падение напряжения больше похоже на падение напряжения на стандартном резисторе — падение напряжения IR. На самом деле, это в точности как резистор, хотя и кремниевый, а резисторы, как мы знаем, по большей части являются линейными устройствами. Именно этой характеристикой я хотел воспользоваться.

На рисунке 2 показана схема синхронного выпрямителя в полуволновой конфигурации.В базовой схеме используется небольшой одиночный вторичный трансформатор 12,6 В переменного тока 300 мА и два n-канальных полевых МОП-транзистора IRF510. Пиковое напряжение без нагрузки этого вспомогательного трансформатора составляло около 23 В, и эта информация важна, потому что затвор MOSFET по отношению к смещению истока для насыщения должен быть больше 10 В, но меньше 20 В, чтобы предотвратить разрушение транзистора.

Другими словами, когда источник становится положительным, вентиль должен становиться более положительным на указанную выше величину, но не более того.Поскольку напряжение на затворе было выше допустимого, я включил в качестве ограничителя два стабилитрона на 12 В и 1 Вт (1N4742A), подключенных по схеме катод-катод, и падающий резистор на 470 Ом и 0,5 Вт. Вы заметите, что вторичная обмотка этого трансформатора подключена к дворнику Variac. Фазировка такова, что затворы транзисторов всегда переключаются с линейной скоростью, независимо от того, где установлен дворник. Если, например, стеклоочиститель просто выключен 0 В, транзисторы готовы выпрямить напряжение для каждого из измерителей.

ВЫДЕЛЕННЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Каждый счетчик имеет свой транзистор. Я пробовал использовать один транзистор для обоих, но по какой-то причине я еще не догадался, что измеритель тока будет уколоть стрелку, когда Variac будет установлен на определенную точку. По-видимому, возникла неожиданная проблема на пути делителя напряжения между шунтирующим резистором 1 Ом и полевым МОП-транзистором 0,5 Ом, которая, к счастью, была решена с помощью специальных транзисторов для каждого измерителя.

Цепь стабилитрона во вторичной обмотке вспомогательного трансформатора также помогает защитить ворота от скачков высокого напряжения в линии электропередач и переходных процессов, которые могут их разрушить.Я также установил металлооксидный варистор (MOV) на 200 В на первичной обмотке трансформатора для некоторой дополнительной безопасности. Все используемые детали, трансформатор 12 В, полевые МОП-транзисторы, стабилитроны, резистор и MOV можно найти в местном магазине запчастей. Наконец, для транзисторов не требуется никакого радиатора, поскольку они не потребляют значительного тока.

Теперь моя проблема решена. Когда я увеличиваю переменное напряжение или когда нагрузка потребляет больше тока, счетчики показывают линейный и предсказуемый вид.Использование синхронного выпрямления таким образом решило досадную проблему измерения. Это позволило мне использовать измерители постоянного тока для измерения переменного тока без побочных эффектов, вызванных нелинейной природой диодов.