I.Общая информация

Полупроводниковые

диоды

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди» — «дважды» и сокращения слова «электрод».

Строение и принцип действия

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (n— типа) и дырочной (p— типа). Между ними — разделяющая граница, называемаяp—n – переходом (область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент — кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать слоистые структуры.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник сp—n-переходом между ними. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

П

Рисунок 1

олупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а вn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны вp-половину. Рассмотрим, как создаетсяp-nпереход при использовании донорной примеси.

Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью

р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникаетp-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий — анодом (положительным электродом). На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоединение диода.

Процессы в зоне проводимости

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная —

примеснаяпроводимость. Вp–n– переходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной илидонорнойпримеси. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е. положительный полюс соединить сp-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения.

Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е. на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют «пиковое значение» пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор.

Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т.е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в n- области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т.е. к границе сp- областью; в то же время «дырки» вp- области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе сn- областью.

В результате вблизи p-nперехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен сn- областью, а отрицательный сp- областью, электроны вn- области и «дырки» вp- области движутся от границыp-n– перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизиp-nперехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т.е. в цепи появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.

Наряду с выпрямительными свойствами p-nпереход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном. С увеличением обратного напряжения емкость диода уменьшается.

Изготовление

Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см²и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника сn-проводимостью, например, германия, расплавляют кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500⁰С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защититьp-nпереход от воздействия влаги и света. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника, чем меньше сопротивление диода в прямом направлении, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками.

Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером.

К основной пластинке германия и к индию обычно припаиваются проволочки из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые р-n– переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов, существующих в переходе.

После сборки транзистора для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. Устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

VD

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n– переходов. Низкоомную область диодов называютэмиттером, а высокоомную –базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используютp-n-,p-i-,n-i– переходы, а также переходы металл-полупроводник. На рисунке 3 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

а) б)

Структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

Рисунок 3.

Общие сведения (по назначению и характеристикам)

Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к. почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д.). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и ЭВМ. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Диоды обладают большой надежностью, но граница их применения от –70 до 125 С. Их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжения, и определяющие его выпрямляющие и прочностные свойства.

В радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами в настоящее время для выпрямления электрического тока все больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ.

_______________________________________________________________________________

В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем ламповые.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов имеются существенные достоинства:

1. Малый вес и малые размеры.

2. Отсутствие затраты энергии на накал.

3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Вместе с тем полупроводниковые диоды в настоящее время обладают следующими недостатками:

1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

2. Свойства приборов сильно зависят от температуры.

3. Работа полупроводниковых диодов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Вольтамперная характеристика и параметры

Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (ВАХ). В отличие от характеристики идеального р-n– перехода, описываемой соотношением

(пунктирная кривая на рис.4), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис.4) в области прямых напряжений Uрасполагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объемном сопротивлении базы диодаr. Токназываюттепловым током илиоб- ратным током насыщения. Это отличие от идеализированной кривой обусловлено тем, что тепловой токпри обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2-10 мА.

Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а сопротивление соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы и десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецелесообразно.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения.

У германиевых диодов , у кремниевых. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

(*)

где тепловой ток при температурепостоянный коэффициент (для германияпри, для кремнияпри). С помощью выражения (*) можно ориентировочно определить обратный ток при разных температурах у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика. Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды пользуются упрощенным выражением

,

где T* — приращение температуры, при котором обратный токудваивается (T*810^oCдля германия иT*67^oCдля кремния). В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых – в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви ВАХ диода:

где r_б– омическое сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого и германиевого диодов:

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника. При достижении обратным напряжением определенного критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Падение напряжения на диоде зависит от токаI, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым. Так как у кремниевых диодов тепловой токмал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. При увеличении температуры прямая ветвь ВАХ становится более крутой из-за увеличенияи уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения:

.

показывает, насколько должно измениться напряжение на р-n– переходе при изменении температуры на 1^оС приI=const,=2,2 мВ/град.

Классификация

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении:

— точечные диоды,

— сплавные,

— микросплавные,

— с диффузной базой,

— с эпитаксиальныеи др.

По функциональному назначениюдиоды делят на:

— выпрямительные

— универсальные

— импульсные

— смесительные

— детекторные

-модуляторные

— переключающие

— умножительные

— стабилитроны (опорные)

— туннельные

— параметрические

— фотодиоды

— светодиоды

— магнитодиоды

— высокочастотные

— диоды Ганна и т. д.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон— диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.Варикап— диод, емкостьp-nперехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют, изменяя приложенное напряжение.

Есть еще и необычные полупроводниковые диоды – это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит. Фотодиод— полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещенияp-nперехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием света в диоде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – буквой К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, сверхвысокочастотные – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода: от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 — импульсные. У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот и напряжения.

По типу мощности различают выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

Полупроводниковые диоды Параметры и характеристики

Полупроводниковые диоды

 

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называют анодом А и катодом К. 

Если приложено положительное напряжение UAK > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении UAK < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I = f(UAK). Типовая характеристика диода представлена на рис. 4.2. Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях UAK. Однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения UПР при токах порядка 0,1Iмакс. Для германия UПР находится в пределах от 0,2 по 0,4 В, для кремния от 0,5 до 0,8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении.

Для диодов общего назначения обратный ток очень мал и составляет нано- и микроамперы. Его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока напряжение на диоде не достигнет напряжения пробоя. Для диодов общего назначения это напряжение составляет десятки и сотни вольт.  Обратный ток при напряжениях |UAK| > UОБР.макс возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу диодов из строя. Все полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Рис.4.2. ВАХ диода 

Выпрямительные диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения UПРна диоде при некотором значении прямого тока;
• обратный ток IОБР при некотором значении обратного напряжения;
• среднее значение прямого тока IПР.СР.;
• максимальное значение обратного напряжения UОБР.

        К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

• время восстановленияtВОС обратного напряжения;
• время нарастания прямого тока IНАР;
• предельная частота без снижения режимов диода fмакс.

 Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода. Время обратного восстановления диода tВОСявляется основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом p-n переход должен освободиться от накопленного заряда. Эффект накопления заряда можно пояснить на примере простого выпрямителя. В качестве входного напряжения используется напряжение прямоугольной формы. Когда входное напряжение UВХположительно, диод открывается и выходное напряжение равно прямому напряжению на диоде. Когда UВХотрицательно, диод закрывается и IД = IОБР. Из рис.4.3 видно, что это происходит по истечении времени восстановления tВОС, которое тем больше, чем больше прямой ток p-n перехода. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости). 

Рис. 4.3. Импульсный режим работы диода 

Обычно значение времени накопления для маломощных диодов составляет 10 – 100 нс. Для мощных диодов эта величина находится в диапазоне микросекунд. Период колебаний входного напряжения должен быть больше времени накопления, в противном случае теряются выпрямительные свойства диода.

 

 

 

 

 

Диод

в качестве выпрямителя — двухполупериодный выпрямитель и двухполупериодный выпрямитель

Диод с p-n переходом в основном применяется в цепях выпрямления. Эти схемы используются для описания преобразования сигналов переменного тока в постоянный в источниках питания. Диодный выпрямитель дает переменное напряжение, которое пульсирует в соответствии со временем. Фильтр сглаживает пульсации напряжения, а для получения постоянного напряжения используется регулятор, устраняющий пульсации.

Существует два основных метода диодного выпрямления:

• Однополупериодный выпрямитель
• Двухполупериодный выпрямитель

Содержание Однополупериодный выпрямитель Работа однополупериодного выпрямителя Характеристики однополупериодного выпрямителя Преимущества однополупериодного выпрямителя Недостатки однополупериодного выпрямителя Применение однополупериодного выпрямителя Двухполупериодный выпрямитель Работа двухполупериодного выпрямителя Характеристики двухполупериодного выпрямителя Типы двухполупериодных выпрямителей Преимущества двухполупериодного выпрямителя Недостатки двухполупериодного выпрямителя Применение двухполупериодного выпрямителя Разница между полупериодным выпрямителем и двухполупериодным выпрямителем

Что такое полупериодный выпрямитель?

В однополупериодном выпрямителе выпрямляется половина каждого цикла входного переменного тока. Когда диод с p-n переходом смещен в прямом направлении, он дает небольшое сопротивление, а когда он смещен в обратном направлении, он обеспечивает высокое сопротивление. В течение полупериода диод смещается в прямом направлении при подаче входного напряжения, а в противоположном полупериоде он смещается в обратном направлении. В течение чередующихся полупериодов можно получить оптимальный результат.

Работа однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель имеет как положительные, так и отрицательные циклы. Во время положительной половины входа ток будет течь от положительного к отрицательному, что будет генерировать только положительный полупериод питания переменного тока. При подаче на трансформатор переменного тока напряжение на вторичной обмотке диода будет уменьшаться. Все изменения в питании переменного тока уменьшатся, и мы получим пульсирующее постоянное напряжение на нагрузочном резисторе.

Во втором полупериоде ток будет течь от отрицательного к положительному, и диод будет смещен в обратном направлении. Таким образом, на выходе не будет генерируемого тока, и мы не сможем получить мощность на сопротивлении нагрузки. Небольшое количество обратного тока будет протекать во время обратного смещения из-за неосновных носителей.

Подробнее: Однополупериодный выпрямитель

Характеристики однополупериодного выпрямителя

Ниже приведены характеристики однополупериодного выпрямителя:

Коэффициент пульсации

Пульсации — это колебания постоянного тока, которые корректируются с помощью фильтров, таких как катушки индуктивности и конденсаторы. Эти пульсации измеряются с помощью коэффициента пульсаций и обозначаются γ. Коэффициент пульсации говорит нам о количестве пульсаций на выходе постоянного тока. Чем выше коэффициент пульсаций, тем больше колебания на выходе постоянного тока и чем меньше коэффициент пульсаций, тем меньше колебания на выходе постоянного тока.

Коэффициент пульсации представляет собой отношение среднеквадратичного значения составляющей переменного тока выходного напряжения к составляющей постоянного тока выходного напряжения. 9{2}-1}\конец{массив} \)

Постоянный ток

Постоянный ток задается как:

\(\begin{array}{l}I_{DC}=\frac{I_{max}}{\pi }\end{array} \)

Где,

• I _max максимальный ток нагрузки постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное постоянное напряжение появляется на нагрузочном резисторе R _L , которое получается путем умножения выходного постоянного напряжения на нагрузочный резистор R _L.  Выходное напряжение постоянного тока задается как:

\(\begin{array}{l}V_{DC}=\frac{V_{Smax}}{\pi }\end{array} \)

Где,

• В _Smax максимальное вторичное напряжение

Форм-фактор

Форм-фактор — это отношение среднеквадратичного значения к значению постоянного тока. Для однополупериодного выпрямителя форм-фактор равен 1,57.

Эффективность выпрямителя

Эффективность выпрямителя — это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока. F или однополупериодный выпрямитель с КПД 40,6%.

Преимущества однополупериодного выпрямителя

• Доступный
• Простые соединения
• Простота использования благодаря простоте подключения
• Количество используемых компонентов меньше

Недостатки однополупериодного выпрямителя

• Производство ряби больше
• Генерируются гармоники
• Использование трансформатора очень низкое
• Низкая эффективность ректификации

Применение однополупериодного выпрямителя

Ниже приведены варианты использования однополупериодного выпрямления:

• Выпрямление мощности: Однополупериодный выпрямитель используется вместе с трансформатором для выпрямления мощности в качестве силового оборудования.
• Демодуляция сигнала: Однополупериодные выпрямители используются для демодуляции сигналов AM.
• Детектор пиков сигнала: Однополупериодный выпрямитель используется для обнаружения пика входящего сигнала.

Что такое двухполупериодный выпрямитель?

Схемы двухполупериодного выпрямителя используются для получения выходного напряжения или выходного тока исключительно постоянного тока. Основное преимущество двухполупериодного выпрямителя перед двухполупериодным выпрямителем заключается в том, что, например, среднее выходное напряжение у двухполупериодного выпрямителя выше, в двухполупериодном выпрямителе меньше пульсаций по сравнению с однополупериодным выпрямителем.

Подробнее: Двухполупериодный выпрямитель

Работа двухполупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель использует обе половины каждого входа переменного тока. Когда p-n переход смещен в прямом направлении, диод имеет низкое сопротивление, а когда он смещен в обратном направлении, он дает высокое сопротивление. Схема спроектирована таким образом, что в первом полупериоде диод смещен в прямом направлении, во втором полупериоде он смещен в обратном направлении и так далее.

9{2}-1}\конец{массив} \)

Постоянный ток

Токи обоих диодов D ₁ и D ₂ имеют одинаковое направление, когда они текут к нагрузочному резистору R _L . Ток, создаваемый обоими диодами, представляет собой отношение I _max к π, поэтому постоянный ток определяется как:

\(\begin{array}{l}I_{DC}=\frac{2I_{max}}{\pi }\end{array} \)

Где,

• I _max максимальный ток нагрузки постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока получается на нагрузочном резисторе R _L и определяется как:

\(\begin{array}{l}V_{DC}=\frac{2V_{max}}{\pi }\end{array} \)

Где,

• В _max максимальное вторичное напряжение

Форм-фактор

Форм-фактор представляет собой отношение среднеквадратичного значения тока к выходному напряжению постоянного тока. Форма  коэффициент двухполупериодного выпрямителя равен 1,11

Эффективность выпрямителя

Эффективность выпрямителя используется в качестве параметра для определения эффективности выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный. Это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока. Выпрямитель КПД двухполупериодного выпрямителя составляет 81,2%.

Типы двухполупериодного выпрямителя

Существует два основных типа двухполупериодных выпрямителей:

• Схема двухдиодного двухполупериодного выпрямителя (требуется трансформатор с отводом от середины и используется в электронных лампах)
• Схема мостового выпрямителя (не требует трансформатора с отводом от средней точки и используется вместе с трансформаторами для эффективного использования)

Преимущества двухполупериодного выпрямителя

• Эффективность двухполупериодного выпрямителя высока
• Потери мощности очень низкие
• Количество генерируемых пульсаций меньше

Недостатки двухполупериодного выпрямителя

• Очень дорого

Применение двухполупериодного выпрямителя

Ниже приведены варианты использования двухполупериодного выпрямителя:

• Двухполупериодные выпрямители используются для подачи поляризованного напряжения при сварке и для этого используются мостовые выпрямители.
Двухполупериодные выпрямители
• используются для определения амплитуды модулированных радиосигналов.

Разница между двухполупериодным выпрямителем и двухполупериодным выпрямителем

Параметр	Однополупериодный выпрямитель	Двухполупериодный выпрямитель
Определение	Однополупериодный выпрямитель представляет собой выпрямитель, который используется для преобразования полупериода входного переменного тока в выходной постоянный ток	Двухполупериодный выпрямитель — это выпрямитель, который используется для преобразования обоих полупериодов входного переменного тока в выходной постоянный ток
Количество используемых диодов	1	2 или 4 в зависимости от типа цепи
Форм-фактор	1,57	1.11
Эффективность выпрямителя	40,6%	81,2%
Коэффициент пульсации	Коэффициент пульсации однополупериодного выпрямителя больше	Коэффициент пульсации двухполупериодного выпрямителя меньше

Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Q1

Почему однополупериодные выпрямители не используются в источниках питания постоянного тока?

Однополупериодные выпрямители не используются в источниках питания постоянного тока, поскольку питание, обеспечиваемое однополупериодным выпрямителем, неудовлетворительно.

Q2

Что такое PIV диода в цепи выпрямителя?

PIV обозначает пиковое обратное напряжение, и это максимальное напряжение, которое может возникнуть на диоде, когда он работает с обратным смещением.

Q3

Что такое пульсации в цепи выпрямителя?

Пульсация определяется как составляющая переменного тока, которая имеет пульсирующий выходной сигнал в выпрямителе.

Q4

Каковы преимущества мостового выпрямителя перед двухполупериодным выпрямителем с отводом от средней точки?

Ниже приведены три преимущества мостового выпрямителя перед двухполупериодным выпрямителем с отводом от средней точки:

• TUF мостового выпрямителя составляет 81,2 %, а TUF выпрямителя с отводом от средней точки — 67,2 %.
• Выходная мощность мостового выпрямителя в два раза выше, чем у двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки.
• Мостовой выпрямитель в качестве PIV-половины двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки.

Q5

Какой цикл соответствует току в двухполупериодном выпрямителе?

В двухполупериодном выпрямителе ток протекает в полупериоде входного сигнала.

Q6

Что произойдет с пиковым током, если увеличить значение фильтра шунтирующих конденсаторов?

При увеличении номинала фильтра шунтирующих конденсаторов пиковый ток выпрямительного диода также увеличивается.

Q7

Почему мостовой выпрямитель предпочтительнее обычного двухдиодного двухполупериодного выпрямителя?

Мостовой выпрямитель предпочтительнее обычного двухдиодного двухполупериодного выпрямителя, потому что:

• PIV меньше на диод
• Нет необходимости в центральном кране
• Требуется трансформатор меньшего размера с той же мощностью

Следите за новостями BYJU’S и влюбитесь в обучение!

Что такое диоды и как их использовать? — Электроника NightShade

перейти к содержанию

Создано 30 января 2021 г.

Последнее обновление: 30 января 2021 г. 9 Компоненты

Что такое диоды и как их использовать?

< Все темы

Проходной диод

Диод — это электрический компонент, который ведет себя как односторонний клапан. Он позволяет току течь в прямом направлении, но не позволяет току течь через него в обратном направлении. Символ диода представляет собой треугольник, который можно рассматривать как стрелку, обозначающую направление протекания тока. Уникальные качества диода делают его очень полезным во многих различных схемах, включая выпрямление переменного тока (диодный мост), зарядные насосы и регулирование напряжения.

Хотя идеальные диоды действуют как идеальные односторонние вентили, в реальности все немного иначе. При использовании диодов в реальных цепях необходимо учитывать два электрических состояния.

Входное напряжение выше выходного (прямой ток)

Когда напряжение на входе диода выше, чем на выходе диода, через диод будет течь ток. Когда ток течет вперед через диод, фиксированное напряжение вычитается. Это падение напряжения обычно составляет около 0,7 В. Это называется диодом прямое падение напряжения . Если напряжение на диоде ниже, чем его прямое падение напряжения, ток через диод течь не будет.

Выходное напряжение выше, чем входное напряжение (обратный ток)

Когда напряжение на выходе диода выше, чем на входе диода, ток не будет течь через диод до тех пор, пока перепад напряжения меньше обратного пробоя диода напряжение . Если обратное напряжение превышает обратное напряжение пробоя, ток через диод будет течь в обратном направлении. Однако напряжение упадет на величину, равную обратному напряжению пробоя. В некоторых случаях это свойство используется с пользой.

Даже когда обратное напряжение ниже напряжения пробоя, через него будет протекать небольшой ток. Это ток утечки диода .

Последнее свойство, которое нам нужно обсудить, — это время восстановления диода . Это количество времени, которое требуется диоду, чтобы «закрыться», когда напряжение на диоде меняется на противоположное. Это особенно важно для приложений с высокоскоростной коммутацией.

Какие существуют типы диодов?

Переключающие диоды	Малые значения тока Среднее прямое падение напряжения (~0,7 В) Время быстрого восстановления Малый ток утечки Используется для высокоскоростного переключения
Выпрямительные диоды	Сильноточные номиналы Среднее прямое падение напряжения (~0,7 В) Среднее время восстановления Средний ток утечки Используется в силовых приложениях
Диоды Шоттки	Сильноточные номиналы Низкое прямое падение напряжения (~0,15–0,6 В) Медленное время восстановления Высокий ток утечки Используется в силовых приложениях Низкие потери мощности
Стабилитрон	Контролируемое обратное напряжение пробоя Используется в обратном направлении, чтобы воспользоваться обратным напряжением пробоя
Светоизлучающие диоды (СИД)	Высокое падение прямого напряжения (1,8–5 В) Генерирует свет Используется для индикации и освещения

Как использовать диод?

Символ диода

Размер диода

Как и любой силовой компонент, размер диода должен соответствовать мощности, проходящей через него. Потери мощности в диоде пропорциональны падению напряжения (в прямом или обратном направлении) на диоде и току, протекающему через диод. Потери мощности в диоде рассчитываются, как показано в следующем уравнении:

\(\large P = V_{drop} \times I\)

Выбор резистора для светодиода

Поскольку диоды, такие как светодиоды, не имеют сопротивления, очень легко получить слишком большой ток через них и сжечь их. Вот почему резистор всегда следует использовать последовательно со светодиодом.

У нас есть светодиод с падением напряжения 0,7 В и номинальным током 20 мА. Светодиод будет подключен к выводу на микросхеме, которая может управлять светодиодом с 5 мА при 5 В. Чтобы рассчитать размер резистора, нам нужно сначала вычесть падение напряжения на светодиоде, а затем использовать закон Ома для расчета сопротивления.

\(\large R = \frac{V}{I} = \frac{5V – 0.7V}{0.005A} = 860\Omega\)

Поскольку мы должны использовать реальное значение резистора, мы выберем следующее более высокое сопротивление, чтобы гарантировать, что ток ниже спецификации. Это можно сделать с помощью нашего калькулятора резисторов. Следующим по величине значением в серии E24 является \(\large 910\Omega\).

Обратите внимание, что резистор может располагаться до или после светодиода и иметь тот же эффект.

Защита от обратной полярности входа постоянного тока

Диод может использоваться для защиты устройства от обратного питания. Это может быть особенно полезно при разработке продукта, к которому кто-то может подключить неправильный адаптер питания. Пример схемы с бочкообразным входом, использующим диод для защиты от обратной полярности, можно увидеть ниже.

Использование стабилитрона для опорного напряжения

Поскольку обратное напряжение пробоя стабилитрона регулируется, их можно использовать для создания полезного опорного напряжения. Приведенная ниже схема обеспечивает стабильное опорное напряжение на Vdd, равное обратному напряжению пробоя стабилитрона. Для работы входное напряжение должно быть выше, чем обратное напряжение пробоя.