Site Loader

Содержание

Выпрямительный диод | Volt-info

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

   На рисунке в первом квадранте расположена прямая, в третьем – обратная ветвь характеристики диода. Прямая ветвь характеристики снимается при действии прямого напряжения, обратная соответственно – обратного напряжения на диод. Прямым напряжением на диоде называется такое напряжение, при котором на катоде образуется более высокий электрический потенциал по отношению к аноду, а если говорить языком знаков —  на катоде минус (-), на аноде плюс (+), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема для изучения ВАХ диода при прямом включении.

 

   На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения:

– рабочий ток диода;

– падение напряжения на диоде;

– обратное напряжение диода;

Uпр – напряжение пробоя;

– ток утечки, или обратный ток диода.

Понятия и обозначения характеристик

   Рабочий ток диода (Iр), это прямой электрический ток, длительное время проходящий через диод, при котором прибор не подвергается необратимому температурному разрушению, и его характеристики не претерпевают значительных качественных изменений. В справочниках может указываться как прямой максимальный ток.    Падение напряжения на диоде (Uд) – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока. В справочниках может быть обозначено как прямое напряжение на диоде.

   Прямой ток течёт при прямом включении диода.

   Обратное напряжение диода (Uо) – допустимое обратное напряжение на диоде, приложенное к нему длительное время, при котором не происходит необратимое разрушение его p-n перехода. В справочной литературе может называться максимальным обратным напряжением.

   Напряжение пробоя (Uпр) – обратное напряжение на диоде, при котором происходит необратимый электрический пробой p-n перехода, и, как следствие, выход прибора из строя.

   Обратный ток диода, или ток утечки (Iу) – обратный ток, длительное время не вызывающий необратимого разрушения (пробоя) p-n перехода диода.

   При выборе выпрямительных диодов обычно руководствуются указанными выше его характеристиками.

Работа диода

   Тонкости работы p-n перехода, тема отдельной статьи. Упростим задачу, и рассмотрим работу диода с позиции односторонней проводимости. И так, диод работает как проводник при прямом, и как диэлектрик (изолятор) при обратном включении.

Рассмотрим две схемы на рисунке 3.

Рисунок 3. Обратное (а) и прямое (б) включение диода.

 

   На рисунке изображены два варианта одной схемы. На рисунке 3 (а) положение переключателей S1 и S2 обеспечивают электрический контакт анода диода с минусом источника питания, а катода через лампочку HL1 с плюсом. Как мы уже определились, это обратное включение диода. В этом режиме диод будет вести себя как электрически изолирующий элемент, электрическая цепь будет практически разомкнута, лампа гореть не будет.

   При изменении положения контактов S1 и S2, рисунок 3 (б), обеспечивается электрический контакт анода диода VD1 с плюсом источника питания, а катода через лампочку – с минусом. При этом

выполняется условие прямого включения диода, он «открывается» и через него, как через проводник, течёт ток нагрузки (лампы).

   Если Вы только начали изучать электронику, Вас может немного смутить сложность с переключателями на рисунке 3. Проведите аналогию по приведённому описанию, опираясь на упрощённые схемы рисунка 4. Это упражнение позволит Вам немного понять и сориентироваться относительно принципа построения и чтения электрических схем.

Рисунок 4. Схема обратного и прямого включения диода (упрощённая).

 

   На рисунке 4 изменение полярности на выводах диода обеспечивается изменением положения диода (переворачиванием).

Однонаправленная проводимость диода

Рисунок 5. Диаграммы напряжений до и после выпрямительного диода.

 

   Примем условно, что электрический потенциал переключателя S2 всегда равен 0. Тогда на анод диода будет подаваться разность напряжений –US1-S2 и +US1-S2 в зависимости от положения переключателей S1 и S2. Диаграмма такого переменного напряжения прямоугольной формы изображена на рисунке 5 (верхняя диаграмма). При отрицательной разности напряжений на аноде диода он заперт (работает как изолирующий элемент), при этом через лампу HL1 ток не течёт и она не горит, а напряжение на лампе практически равно нулю. При положительной разности напряжений диод отпирается (действует как электрический проводник) и
по последовательной цепочке диод-лампа течёт ток. Напряжение на лампе возрастает до UHL1.
Это напряжение немного меньше напряжения источника питания, поскольку часть напряжения падает на диоде. По этой причине, разность напряжений в электронике и электротехнике иногда называют «падением напряжения». Т.е. в данном случае, если лампу рассматривать как нагрузку, то на ней будет напряжение нагрузки, а на диоде — падение напряжения.

   Таким образом, периоды отрицательной разности напряжения как бы игнорируются диодом, обрезаются, и через нагрузку течёт ток только в периоды положительной разности напряжений. Такое преобразование переменного напряжения в однополярное (пульсирующее или постоянное) назвали выпрямлением.

напряжение диода | Электрознайка. Домашний Электромастер.

    ♥ Работа полупроводниковых выпрямительных диодов основана на свойстве p – n перехода пропускать ток только в одном направлении. Выпрямительные диоды в основном изготавливаются на основе минералов германия и кремния.
Полупроводниковый диод нелинейный элемент.
     ♥ Он имеет две ветви на вольтамперной характеристике — работа диода при прохождении электрического тока через диод в прямом и обратном направлении.

      ♥ первая ветвь – это работа диода в прямом направлении.

  Напряжение Uпр изменяется от 0 до 1,5 вольта.
На этой ветви выделяются три участка:
     1) при возрастании напряжения Uпр (точки 0 — 1) ток изменяется незначительно (почти линейный участок).
     2) нелинейный участок (точки 1 — 2) рабочий участок, используется для выпрямления тока, а так же в устройствах для преобразования частот.


     3) при незначительном увеличении напряжения Uпр (точки 2-3) ток диода резко увеличивается.
Это явление используется в схемах стабилизации тока – напряжения.

       ♥ вторая ветвь — работа диода в «запертом» состоянии.

     На диод подано обратное напряжение Uобр. Под действием обратного напряжения возникает барьерный (запорный) слой, толщиной около 10 (-4) мм., не пропускающий электрический ток. Обратный ток диода Iобр очень мал.
      При превышении максимально допустимого рабочего напряжения, обратный ток диода увеличивается. Начинается обратимый электрический пробой, p — n переход начинает постепенно разогреваться.
Если в этот момент уменьшить обратное напряжение, обратный ток уменьшится до допустимой величины и пробоя не произойдет.


    При превышении температуры диода свыше допустимой величины ( для германия +75 град., для кремния +150 град.), наступает необратимый тепловой пробой. Диод выходит из строя.

Основные электрические параметры, характеризующие полупроводниковый диод.

    ♥ Напряжение и ток в прямом направлении:

    Uпр — постоянное прямое напряжение, обусловленное постоянным прямым током Inp.
У диодов одинаковой мощности, при одном и том же максимальном прямом токе Iпр, через германиевый и кремниевый диоды, падение напряжения на p – n переходе:
     — для германия Uпр = 0,3 – 0,7 вольта,
     — для кремния Uпр = 1,0 – 1,5 вольта.
     Inp — средний прямой ток – среднее за период значение прямого тока.

     Допустимый прямой ток уменьшается с увеличением температуры и частоты следования тока.
В мощных диодах прямой ток может достигать 100 ампер и более.
     Электрическая мощность рассеиваемая на кремниевом диоде в режиме максимального прямого тока, в 1,5 – 2,0 раза выше, чем на германиевом.
     Чтобы не превысить максимально допустимую рабочую температуру диода, при которой может произойти тепловой пробой, диод ставят на радиатор.
     В выпрямительных устройствах на низке напряжения и большие токи выгоднее применять германиевые диоды.

    ♥ Напряжение и ток в обратном направлении.

    Uобр — максимально допустимое постоянное обратное напряжение — это напряжение, в течение длительного времени выдерживаемое диодом без опасного теплового пробоя.


     Максимальное обратное напряжение Uобр, в зависимости от типа диода, может быть величиной:
     — у германиевого диода,  до 100 – 400 вольт;
     — у кремниевого диода,  до 1000 – 1500 вольт.
    Iобр — Обратный ток через диод, при максимальном обратном напряжении, очень мал и составляет для германия около 1 милиампера, для кремния около 1 микроампера.

    ♥ Рабочая частота.
    fmax — Максимально допустимая частота — наибольшая частота подводимого напряжения, при которых обеспечивается надежная работа диода.
     Рабочая частота выпрямительных диодов обычно не превышает 1 килогерца.
В мощных преобразователях частоты, применяются специальные диоды на рабочие частоты до 100 килогерц.

Рекомендуется использовать диоды при рабочих напряжениях и токах не выше 80% от их рабочих значений, указанных в инструкции к применению.

Напряжение led в обратном направлении не имеет практики

Для правильного подключения и понимания принципов работы различных контроллеров и драйверов светодиодов необходимо хотя бы поверхностно разобраться с понятием ток, напряжение , область допустимой мощности эксплуатации и овладеть минимальным набором терминов и приёмов электроники для начинающих. Мы постараемся объяснить это понятным языком как для «чайника». Напряжение светодиодов – это непосредственно напряжение на кристалле светодиода и оно мало зависит от протекающего по кристаллу тока. Обратите внимание на следующий график

 

Характеристики светодиодов напряжение и ток

Характеристики светодиодов напряжение и ток

По вертикальной оси отложен ток в миллиамперах, по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах. Рассмотрим участок отрицательных токов и напряжений – это ситуация когда напряжение прикладывается к кристаллу в нерабочем обратном направлении – диод запирается. Хорошо видно что напряжение светодиодов до примерно 25 вольт практически не вызывает протекание тока сквозь кристалл и лишь превышение порога в 25 вольт вызывает существенное увеличение протекающего тока . Обратное пробивное напряжение светодиодов не является стандартизированным выдерживаемым при производстве параметром и может существенно различаться у различных экземпляров и различного цвета свечения LED , но в данной ситуации нас интересует лишь принцип – поэтому конкретная величина пробивного напряжения нам сейчас не важна. Так вот при превышении порога в 25 вольт увеличение напряжения на несколько вольт сильно увеличивает протекающий сквозь кристалл ток, до определённого момента это не важно , но при превышении допустимой рассеиваемой на кристалле мощности происходит так называемый тепловой пробой кристалла. Немного формул : рассеиваемая мощность P=UxI , где – напряжение на кристалле , — ток протекающий сквозь кристалл , — мощность выделяющаяся на кристалле. При размере smd светодиода в простонародье именуемого 3528 допустимая неразрушающая мощность равняется примерно 0,25 ватт. При превышении этого порога будут происходить необратимые процессы – светодиод просто сгорит. При напряжении порядка 25 вольт достаточно будет тока в 100 миллиампер. По нашей ВАХ это будет примерно соответствовать 27 вольтам обратного напряжения. То есть если приложить к кристаллу в обратном направлении напряжение в 27 вольт – кристалл перегорит — напряжение светодиодов

в обратном направлении не должно быть больше 25 вольт. . Какие выводы следует сделать на основании этого графика?

Напряжение светодиодов в 25 вольт приложенное в обратном напряжении выведет кристалл из строя , при этом напряжение в 12 – 15 вольт в обратном направлении абсолютно безопасно для LED.

Рабочее напряжение светодиодов приложеное в обратном направлении не зажигает и не выводит из строя кристалл.

Для использования в наружной рекламе LED обратная ветвь ВАХ больше нам не нужна – посмотрим напряжение светодиодов в прямом направлении.

Основные параметры диодов, прямой ток диода, обратное напряжение диода


Основные параметры диодов — это прямой ток диода (Iпр) и максимальное обратное напряжение диода (Uобр). Именно их надо знать, если стоит задача разработать новый выпрямитель для источника питания.

Прямой ток диода

Прямой ток диода можно легко вычислить, если известен общий ток, который будет потреблять нагрузка нового блока питания. Затем, для обеспечения надёжности, необходимо несколько увеличить это значение и получится ток, на который надо подобрать диод для выпрямителя. К примеру, блок питания должен выдерживать ток в 800 мА. Поэтому мы выбираем диод, у которого прямой ток диода равен 1А.

Обратное напряжение диода

Максимальное обратное напряжение диода — это параметр, который зависит не только от значения переменного напряжения на входе, но и от типа выпрямителя. Для объяснения этого утверждения, рассмотрим следующие рисунки. На них показаны все основные схемы выпрямителей.


Рис. 1

Как мы говорили ранее, напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе) равно действующему напряжению вторичной обмотки трансформатора, умноженному на √2. В однополупериодном выпрямителе (рис. 1), когда напряжение на аноде диода имеет положительный потенциал относительно земли, конденсатор фильтра заряжается до напряжения, превышающего действующее напряжение на входе выпрямителя в 1.4 раза. Во время следующего полупериода напряжение на аноде диода отрицательно относительно земли и достигает амплитудное значения, а на катоде — положительно относительно земли и имеет такое же значение. В этот полупериод к диоду приложено обратное напряжение, которое получается благодаря последовательному соединению обмотки трансформатора и заряженного конденсатора фильтра. Т.е. обратное напряжение диода должно быть не меньше двойного амплитудного напряжения вторички трансформатора или в 2.8 раза выше его действующего значения. При расчёте таких выпрямителей надо выбирать диоды с максимальным обратным напряжением в 3 раза превышающим действующее значение переменного напряжения.


Рис. 2

На рисунке 2 изображён двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки. В нём также, как и в предыдущем, диоды надо подбирать с обратным напряжением в 3 раза превышающем действующее значение входного.


Рис. 3

По другому обстоит дело в случае мостового двухполупериодного выпрямителя. Как можно видеть на рис. 3, в каждый из полупериодов удвоенное напряжение прикладывается к двум непроводящим, последовательно соединённым диодам.

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.

Вах полупроводникового прибора

Вах полупроводникового прибора

Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Данная характеристика состоит из классических трех ступеней:

  1. Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
  2. Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
  3. Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.

Как работает диод

Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

При подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

  • Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
  • Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
  • Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

  • В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
  • Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
  • В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.
ВАХ стабилитрона

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

  • БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
  • В диодном мосту;
  • В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
  • В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

  • Частота тока;
  • Значения входного тока в амперах;
  • Параметр входного напряжения в вольтах;
  • Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

  • Первый символ – Д – диод;
  • Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
  • Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

Прекращаем ставить диод / Habr


Нет, это не очередной «вечняк»

После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?


При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.

История вопроса


Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)


Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

  1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
  2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
  3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
  4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
  5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
  6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Если бы диод являлся идеальным прибором, то он без проблем выполнил все эти условия, однако суровая реальность ставит под сомнение пункты 1 и 2.

Наивное решение (реле постоянного тока)


При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)


После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)


Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0.1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.

Примерная схема такого устройства:

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)


Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

Архив с файлами схемы и разводки для EAGLE.

Спасибо за внимание.

Чем отличается прямой диод от обратного диода

Диоды часто именуются «прямыми» и «обратными». С чем это связано? Чем отличается «прямой» диод от «обратного» диода?

Что представляет собой «прямой» диод?

Диод — это полупроводник, имеющий 2 вывода, а именно — анод и катод. Используется он для обработки различными способами электрических сигналов. Например, в целях их выпрямления, стабилизации, преобразования.

Особенность диода в том, что он пропускает ток только в одну сторону. В обратном направлении — нет. Это возможно благодаря тому, что в структуре диода присутствует 2 типа полупроводниковых областей, различающихся по проводимости. Первая условно соответствует аноду, имеющему положительный заряд, носителями которого являются так называемые дырки. Вторая — это катод, имеющий отрицательный заряд, его носители — электроны.

Диод может функционировать в двух режимах:

  • открытом;
  • закрытом.

В первом случае через диод хорошо проходит ток. Во втором режиме — с трудом.

Открыть диод можно посредством прямого включения. Для этого нужно подключить к аноду положительный провод от источника тока, а к катоду — отрицательный.

Прямым также может именоваться напряжение диода. Неофициально — и сам полупроводниковый прибор. Таким образом, «прямым» является не он, а подключение к нему или же напряжение. Но для простоты понимания в электрике «прямым» часто именуется и сам диод.

к содержанию ↑

Что представляет собой «обратный» диод?

Закрывается полупроводник посредством, в свою очередь, обратной подачи напряжения. Для этого нужно поменять полярность проводов от источника тока. Как и в случае с прямым диодом, формируется обратное напряжение. «Обратным» же — по аналогии с предыдущим сценарием — именуется и сам диод.

к содержанию ↑

Сравнение

Главное отличие «прямого» диода от «обратного» диода — в способе подачи тока на полупроводник. Если он подается в целях открытия диода, то полупроводник становится «прямым». Если полярность проводов от источника тока меняется — то полупроводник закрывается и становится «обратным».

Рассмотрев, в чем разница между «прямым» диодом и «обратным» диодом, отразим основные выводы в таблице.

к содержанию ↑

Таблица

«Прямой» диод«Обратный» диод
Что общего между ними?
Фактически являются не отдельными диодами, а разными состояниями одного и того же полупроводника
В чем разница между ними?
Соответствует открытому состоянию, которое активизируется при прямом подключении источника тока к диодуСоответствует закрытому состоянию, которое активизируется при обратном подключении источника тока к диоду

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *