Диод выпрямительный схема: Выпрямительный диод: параметры и схема — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Выпрямительный диод: параметры и схема

Одним из электронных устройств, широко использующихся в различных схемах, является выпрямительный диод, с помощью которого переменный ток преобразуется в постоянный. Его конструкция создана в виде двухэлектродного прибора с односторонней электрической проводимостью. Выпрямление переменного тока происходит на переходах металл-полупроводник и полупроводник-металл. Точно такой же эффект достигается в электронно-дырочных переходах некоторых кристаллов – германия, кремния, селена. Эти кристаллы во многих случаях используются в качестве основных элементов приборов.

Содержание

Принцип работы выпрямительного диода

Выпрямительные диоды применение нашли в различных электронных, радиотехнических и электрических устройствах. С их помощью осуществляется замыкание и размыкание цепей, детектирование и коммутация импульсов и электрических сигналов, а также другие аналогичные преобразования.

Каждый диод оборудуется двумя выводами, то есть электродами – анодом и катодом. Анод соединяется с р-слоем, а катод – с n-слоем. В случае прямого включения диода на анод поступает плюс, а на катод – минус. В результате, через диод начинает проходить электрический ток.

Если же подачу тока выполнить наоборот – к аноду подать минус, а к катоду – плюс получится так называемое обратное включение диода. В этом случае течения тока уже не будет, на что указывает вольтамперная характеристика выпрямительного диода. Поэтому при поступлении на вход переменного напряжения, через диод будет проходить только одна полуволна.

Представленный рисунок наглядно отражает вольтамперную характеристику диода. Ее прямая ветвь расположена в первом квадранте графика. Она описывает диод в состоянии высокой проводимости, когда к нему приложено прямое напряжение. Данная ветвь выражается в виде кусочно-линейной функции u = U_{+ R_Д x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U_{и R_Д являются пороговым напряжением и динамическим сопротивлением.}}

Третий квадрант содержит обратную ветвь вольтамперной характеристики, указывающей на низкую проводимость при обратном напряжении, приложенном к диоду. В этом состоянии течение тока через полупроводниковую структуру практически отсутствует.

Данное положение будет правильным лишь до определенного значения обратного напряжения. В этом случае напряженность электрического поля в области p-n-перехода может достичь уровня 105 В/см. Такое поле сообщает электронам и дыркам – подвижным носителям заряда, кинетическую энергию, способную вызвать ионизацию нейтральных атомов кремния.

Стандартная структура выпрямительного диода предполагает наличие дырок и электронов проводимости, постоянно возникающих под действием термической генерации по всему объему структуры проводника. В дальнейшем происходит их ускорение под действием электрического поля p-n-перехода. То есть электроны и дырки также участвуют в ионизации нейтральных атомов кремния. В этом случае обратный ток нарастает лавинообразно, возникают так называемые лавинные пробои. Напряжение, при котором резко повышается обратный ток, обозначается на рисунке в виде напряжения пробоя U3.

Основные параметры выпрямительных диодов

Определяя параметры выпрямительных элементов, следует учитывать следующие факторы:

Разница потенциалов, максимально допустимая при выпрямлении тока, когда устройство еще не может выйти из строя.
Максимальное значение среднего выпрямленного тока.
Максимальный показатель обратного напряжения.

Выпрямительные устройства выпускаются различной формы и могут монтироваться разными способами.

В соответствии с физическими характеристиками, они разделяются на следующие группы:

Выпрямительные диоды большой мощности, пропускная способность которых составляет до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух видах корпусов. Штыревой корпус изготавливается из стекла, а таблеточный – из керамики.
Выпрямительные диоды средней мощности с пропускной способностью от 300 мА до 10 А.
Маломощные выпрямительные диоды с максимально допустимым значением тока до 300 мА.

Выбирая то или иное устройство, необходимо учитывать вольтамперные характеристики обратного и пикового максимальных токов, максимально допустимое прямое и обратное напряжение, среднюю силу выпрямленного тока, а также материал изделия и тип его монтажа. Все основные свойства выпрямительного диода и его параметры наносятся на корпус в виде условных обозначений. Маркировка элементов указывается в специальных справочниках и каталогах, ускоряя и облегчая их выбор.

Схемы с использованием выпрямительных диодов отличаются количеством фаз:

Однофазные нашли широкое применение в бытовых электроприборах, автомобилях и аппаратуре для электродуговой сварки.
Многофазные используются в промышленном оборудовании, специальном и общественном транспорте.

В зависимости от используемого материала, выпрямительные диоды и схемы с диодами могут быть германиевыми или кремниевыми. Чаще всего применяется последний вариант, благодаря физическим свойствам кремния. Данные диоды обладают значительно меньшей величиной обратных токов при одном и том же напряжении, поэтому допустимое обратное напряжение имеет очень высокую величину, в пределах 1000-1500 вольт.

Для сравнения, у германиевых диодов эта величина составляет 100-400 В. Кремниевые диоды сохраняют работоспособность в температурном диапазоне от — 60 до + 150 градусов, а германиевые – только в пределах от — 60 до + 850С. Электронно-дырочные пары при температуре, превышающей это значение, образуются с большой скоростью, что приводит к резкому увеличению обратного тока и снижению эффективности работы выпрямителя.

Схема включения выпрямительного диода

Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.

Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.

При поступлении на анод отрицательных полупериодов напряжения, наступает закрытие диода, и во всей цепи начинается течение незначительного обратного тока. В данном случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эту отсеченную полуволну обозначает синяя прерывистая линия. На схеме условное обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только поверх значка проставляются символы VD.

В результате, через нагрузку, подключенную через диод к сети, будет протекать уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления. Фактически, это и есть выпрямленный переменный ток. Однако такое напряжение подходит лишь для нагрузок малой мощности, запитанных от сети переменного тока. Это могут быть лампы накаливания, которым не требуются особые условия питания. В этом случае напряжение будет проходить через лампу лишь во время импульсов – положительных волн. Наблюдается слабое мерцание лампы с частотой 50 Гц.

При подключении питания с таким же напряжением к приемнику или усилителю мощности, в громкоговорителе или колонках, будет слышен гул с низкой тональностью, частотой 50 Гц, известный как фон переменного тока. В этих случаях аппаратура начинает «фонить». Причиной такого состояния считается пульсирующий ток, проходящий через нагрузку и создающий в ней пульсирующее напряжение. Именно оно и создает фон.

Данный недостаток частично устраняется путем параллельного подключения к нагрузке фильтрующего электролитического конденсатора Сф с большой емкостью. В течение положительных полупериодов он заряжается импульсными токами, а во время отрицательных – разряжается с помощью нагрузки RH. Большая емкость конденсатора позволяет поддерживать на нагрузке непрерывный ток в течение всех полупериодов – положительных и отрицательных. На графике такой ток представляет собой сплошную волнистую линию красного цвета.

Выпрямительный диод. Схемы выпрямителей

Выпрями́тельные дио́ды — диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. На смену электровакуумным диодам и игнитронам пришли диоды из полупроводниковых материалов и диодные мосты (четыре диода в одном корпусе). Обычно к быстродействию, ёмкости p-n перехода и стабильности параметров выпрямительных диодов не предъявляют специальных требований^[1].

Основные параметры выпрямительных диодов:

· среднее прямое напряжение Uпр.ср. при указанном токе Iпр.ср.;

· средний обратный ток Iобр.ср. при заданных значениях обратного напряжения Uобр и температуры;

· допустимое амплитудное значение обратного напряжения Uобр. макс.;

· средний прямой ток Iпр.ср.;

· частота без снижения режимов.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 U_max

· Двухполупериодный выпрямитель с сглаживающим ёмкостным фильтром

Тиристоры. Вольт-амперная характеристика

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или болееp-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокомусопротивлению прибора — прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

· Участок далее Vbr — режим обратного пробоя.

Схемы включения тиристоров

В данной схеме включения тиристора, тиристор переходит в открытое состояние когда напряжение на входе 1 оптопары достигает 1,8-2,5В силой тока 5-7мА. Небольшой недостаток включения тиристора через диодный мост — это потери напряжения на нем, порядка 20В. Свечение лампы по данной схеме будет чуть тускнее нежели при прямом включении.

На рисунке 2 показана схема включения тиристора через транзистор. Управляющий ток проходящий через резистор R2 невелик и составляет не более 30мА.

Условие выбора транзистора должно быть следующим, что бы максимальное напряжение коллектор эмитер было не менее 300В.

Тиристоры

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (напримертринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Схемы вкл. тиристоров

3 с помощью оптопары 4 по аноду

Свето фотодиоды

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Светодио́д — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером — слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором — слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

параметры и схема :: SYL.ru

Выпрямительный диод — это диод на основе полупроводникового материала, который предназначен для того, чтобы преобразовывать переменный ток в постоянный. Правда, этой функцией сфера применения этих радиодеталей не исчерпывается: они применяются для коммутации, в сильноточных схемах, где нет жесткой регламентации временных и частотных параметров электрического сигнала.

Классификация

В соответствии со значением прямого тока, который является максимально допустимым, выпрямительный диод может иметь малую, среднюю и большую мощности:

малой — выпрямляют прямой ток до 300 mA;
выпрямительные диоды средней мощности — от 300 mA до 10 А;
большой — более 10 А.

Германий или кремний

По применяемым материалам они бывают кремниевые и германиевые, однако более широкое применение нашли кремниевые выпрямительные диоды благодаря своим физическим свойствам.

У них обратные токи в несколько раз меньше, чем в германиевых, в то время как напряжение одинаково. Это дает возможность добиваться в полупроводниках очень высокой величины допустимых обратных напряжений, которые могут составлять до 1000-1500 В. В германиевых диодах этот параметр находится в диапазоне 100-400 В.

Кремниевые диоды способны сохранять работоспособность в диапазоне температур от -60 ºС до +150 ºС, а германиевые – только от -60 ºС до +85 ºС. Это происходит потому, что когда температура становится выше 85 ºС, количество образовавшихся электронно-дырочных пар достигает таких величин, что резко увеличивается обратный ток, и выпрямитель перестает работать эффективно.

Технология изготовления

Выпрямительный диод по конструкции представляет пластину полупроводникового кристалла, в теле которой имеются две области, имеющие разную проводимость. Это послужило причиной того, что их называют плоскостными.

Полупроводниковые выпрямительные диоды делаются так: на области кристалла полупроводника, имеющей проводимость n-типа, происходит расплавление алюминия, индия или бора, а на область кристалла с проводимостью p-типа расплавляется фосфор.

При воздействии высоких температур эти два вещества накрепко сплавляются с полупроводниковой основой. Кроме того, атомы этих материалов диффундируют внутрь кристалла с образованием в нем области с преимущественно электронной или дырочной проводимостью. В итоге образуется полупроводниковый прибор, имеющий две области с различного типа электропроводностью, а между ними образован p-n-переход. Таков принцип работы подавляющего большинства плоскостных диодов из кремния и германия.

Конструкция

Для того чтобы организовать защиту от воздействий извне, а также добиться надежного отвода тепла, кристалл, имеющий p-n-переход, монтируется в корпусе.
Диоды, имеющие малую мощность, производят в корпусе из пластмассы, снабдив гибкими внешними выводами. Выпрямительные диоды средней мощности имеют металлостеклянный корпус уже с жесткими внешними выводами. Детали большой мощности размещаются в корпусе из металлостекла или металлокерамики.

Кремниевые или германиевые кристаллы с p-n-переходом припаивают к кристаллодержателю, который одновременно служит основанием корпуса. К нему же приваривают корпус, имеющий стеклянный изолятор, сквозь который идет вывод одного из электродов.

Диоды малой мощности, которые имеют сравнительно малые габариты и вес, обладают гибкими выводами, при посредстве которых монтируются в схемах.

Поскольку токи, с которыми работают полупроводники средней мощности и мощные выпрямительные диоды, достигают значительных величин, их выводы намного мощнее. Нижняя их часть выполнена в виде массивного основания, отводящего тепло, оснащенного винтом и внешней поверхностью плоской формы, которая призвана обеспечивать надежный тепловой контакт с внешним радиатором.

Характеристики

Каждый тип полупроводников имеет свои рабочие и предельные параметры, которые подбирают для того, чтобы обеспечить работу в какой-либо схеме.

Параметры выпрямительных диодов:

I прям max – прямой ток, который максимально допустим, А.
U обрат max – обратное напряжение, которое максимально допустимо, В.
I обрат – обратный ток постоянный, мкА.
U прям – прямое напряжение постоянное, В.
Рабочая частота, кГц.
Температура работы, С.
Р max – рассеиваемая на диоде мощность, которая максимально допустима.

Характеристики выпрямительных диодов далеко не исчерпываются данным списком. Однако для выбора детали обычно их бывает достаточно.

Схема простейшего выпрямителя переменного тока

Рассмотрим, как работает схема (выпрямительный диод играет в ней главную роль) примитивного выпрямителя.

На его вход подается сетевое переменное напряжение с положительными и отрицательными полупериодами. К выходу выпрямителя подключается нагрузка (R нагр.), а функцию элемента, выпрямляющего ток, выполняет диод (VD).

Положительные полупериоды напряжения, поступающие на анод, вызывают открывание диода. В это время через него, а следовательно через нагрузку (R нагр.), которая питается от выпрямителя, протекает прямой ток (I прям. ).

Отрицательные полупериоды напряжения, поступающие на анод диода, вызывают его закрывание. По цепи протекает небольшой обратный ток диода (I обр.). Здесь диод производит отсекание отрицательной полуволны переменного тока.

В результате выходит, что через подключенную к сети нагрузку (R нагр.), через диод (VD), теперь проходит пульсирующий, а не переменный ток одного направления. Ведь он может проходить исключительно в положительные полупериоды. В этом и заключается смысл выпрямления переменного тока.

Однако такое напряжение может запитать только нагрузку малой мощности, которая питается от сети переменного тока и не предъявляет серьезных требований к питанию, к примеру, лампы накаливания.

Лампа будет пропускать напряжение лишь при прохождении положительных импульсов, вследствие этого электроприбор подвергается слабому мерцанию, имеющему частоту 50 Гц. Правда, вследствие того, что нить подвержена тепловой инертности, она не сможет до конца остывать в перерывах между импульсами, а значит, мерцание будет почти не заметно.

В случае если такое напряжение подать на усилитель или приемник мощности, то в громкоговорителе будет слышен звук низкой частоты (частотой 50 Гц), который называется фоном переменного тока. Этот эффект происходит по причине того, что пульсирующий ток во время прохождения через нагрузку наводит в ней пульсирующее напряжение, порождающее фон.

Подобный недостаток в какой-то мере устраняется, если параллельно нагрузке включить фильтрующий конденсатор (C фильтр), емкость которого достаточно велика.

Конденсатор будет заряжаться импульсами тока при положительных полупериодах, и разряжаться через нагрузку (R нагр.) при отрицательных полупериодах. При достаточной емкости конденсатора за время, которое проходит между двумя импульсами тока, он не успеет полностью разрядиться, а следовательно, на нагрузке (R нагр.) будет постоянно находиться ток.

Но даже таким, относительно сглаженным, током также не следует питать нагрузку, ведь она будет продолжать фонить, потому что величина пульсаций (U пульс. ) пока еще достаточно серьезна.

Недостатки

В выпрямителе, работу которого мы только что разобрали, с пользой применяется лишь половина волн переменного тока, вследствие этого на нем происходит потеря более чем половины входного напряжения. Такой вид выпрямления переменного тока получил название однополупериодного, а выпрямители, которые используют этот вид выпрямления, называются однополупериодными. Недостатки однополупериодных выпрямителей успешно устранены в выпрямителях, использующих диодный мост.

Диодный мост

Диодный мост – это компактная схема, которая составлена из четырех диодов, и служит цели преобразования переменного тока в постоянный. Мостовая схема дает возможность пропускать ток в каждом полупериоде, что выгодно отличает ее от однополупериодной. Диодные мосты производятся в форме сборок небольшого размера, которые заключены в корпус из пластмассы.

На выходе корпуса такой сборки имеются четыре вывода с обозначениями «+», «—» или «~», указывающими на назначение контактов. Однако диодные мосты встречаются и не в сборке, нередко они собираются прямо на печатной плате путем включения четырех диодов. Выпрямитель, который выполняется на диодном мосте, называется двухполупериодным.

Как работает выпрямительный диод? – Определение конструкции и исправления

Задачи проектирования

Войти

Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли пароль?

Создать учетную запись

Политика конфиденциальности

Регистрация

Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт

ваш адрес электронной почты

ваше имя пользователя

Пароль будет отправлен вам по электронной почте.

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановить пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Изменено: 15 ноября 2021 г.

Учебное пособие по выпрямительным диодам

Категория артикулов

Содержание

Выпрямительный диод – мощность, излучаемая во время нагрузки). Чтобы «исправить» значение этого компонента, его основной задачей является преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) посредством применения выпрямительных мостов. Вариант выпрямительного диода с барьером Шоттки особенно ценится в цифровой электронике. Выпрямительный диод способен проводить ток величиной от нескольких миллиампер до нескольких килоампер и напряжение до нескольких киловольт.

Рис. 1. Символ выпрямительного диода
Выпрямительный диод – технические параметры
Наиболее типичные выпрямительные диоды изготавливаются из кремния (полупроводникового кристалла). Они способны проводить высокие значения электрического тока, что можно отнести к их основным характеристикам. Существуют также менее популярные, но все же используемые полупроводниковые диоды из германия или арсенида галлия. Германиевые диоды имеют гораздо более низкое допустимое обратное напряжение и меньшую допустимую температуру перехода (T
j = 75°C для германиевых диодов и T _j = 150°C для кремниевых диодов). Единственным преимуществом германиевого диода перед кремниевым является более низкое значение порогового напряжения при работе в прямом смещении (V _F(I0) = 0,3 ÷ 0,5 В для германиевых и 0,7 ÷ 1,4 В для кремниевых диодов).
Выделяем две группы технических параметров выпрямительного диода (они относятся и к другим полупроводниковым диодам):
допустимые предельные параметры,
характеристических параметра.
Выпрямительный диод характеризуется следующими предельными параметрами:

В _F — прямое напряжение с определенным I _F Я _ФН ),
I _R – обратный ток при В _RWM пиковое обратное напряжение работы.
я _FN – номинальный ток при прямом смещении (он же максимальный средний ток диода),
I _FRM – пиковый, повторяющийся ток диодной проводимости (например, для импульсов длительностью менее 3,5 мс и частотой 50 Гц),
I _FSM – пиковая неповторяющаяся проводимость тока (например, для одиночного импульса длительностью менее 10 мс),
В _RWM – пиковое, обратное напряжение (или среднее, обратное напряжение при работе диода в волновом выпрямителе с нагрузкой),
В _RRM – пиковое, повторяющееся обратное напряжение,
В _RSM – пиковое неповторяющееся обратное напряжение,
P _TOT – общее значение мощности, рассеиваемой на этом электронном компоненте,
T _j – максимальная температура перехода диода
R _th – тепловая стойкость в условиях эксплуатации,
максимальный мгновенный ток диода (определяет устойчивость к перегрузкам)

Выпрямительный диод – Задания для школьников

Если вы учитесь или просто хотите научиться решать задачи Выпрямительный диод, посетите этот раздел нашего сайта , где вы найдете большое разнообразие электронных задач.

Сильноточный выпрямительный диод

Примером высокопроизводительного диода является двойной сильноточный выпрямительный диод с током 2x 30A.

STM предлагает двойной высоковольтный выпрямительный диод под названием STPS60SM200C. Диод лучше всего подходит для базовых станций, сварочных аппаратов, источников питания переменного/постоянного тока и промышленных приложений.

Рис. 2. Сильноточный выпрямительный диод STPS60SM200CW

Значение напряжения пробоя V _RRM составляет 200 В, напряжение проводимости 640 мВ, а его токовая память составляет 2×30 А. Дополнительная защита от электростатического разряда, называемого электростатическим разрядом, до 2 кВ.

Диапазон рабочих температур от -40°C до 175°C. Такие температурные значения позволяют использовать диоды при любых условиях в базовых станциях.

Выпрямительный диод – вольт-амперные характеристики

Вольт-амперные характеристики выпрямительного диода представлены ниже (рис. 3).

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики выпрямительного диода

Как проверить выпрямительный диод?

Простейшим мультиметром можно определить полярность выпрямительного диода (где анод, а где катод). Есть по крайней мере три способа сделать это, но я покажу два самых простых способа сделать это:

а) Использование омметра (диапазон 2 кОм):

Рис. 4. Прямое смещение: Омметр покажет приблизительное значение прямого напряжения диода (около 0,7В)Рис. 5. Обратное смещение: омметр показывает «1», что означает его очень высокое сопротивление (электрический клапан закрыт)

Функция «проверка диодов» даст тот же результат, что и использование упомянутого выше метода.

b) Использование функции измерения постоянного напряжения:

Рис. 6. Прямое смещение: мультиметр должен показывать падение напряжения около 0,7 В для кремниевых диодовРис. 7. Обратное смещение: мультиметр покажет приблизительное значение полного напряжения источника питания (Примечание: здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером.

На самом деле я бы изменил полярность источника питания, потому что вы можете’ t разбирать «руками» когда-то впаянный компонент, если только вы его не выпаяете. Конечно, мы не хотим делать это с исправным компонентом. Я просто хотел показать вам пример, на который вы также должны обратить внимание, чтобы правильно размещение компонентов на печатной плате или макетной плате)

Мостовые выпрямители

Мостовые выпрямители делятся на различные типы в зависимости от:

Структура и количество фаз питающего напряжения: однофазный мостовой выпрямитель, многофазный мостовой выпрямитель (трехфазный мостовой выпрямитель, двухфазный мостовой выпрямитель).
Количество однополупериодного выпрямления напряжения: одинарный мост (полупериодный выпрямитель), двойной мост (двухполупериодный диодный выпрямитель). Мы можем создать комбинированную схему, такую как однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель или трехфазный двухполупериодный выпрямитель. Вы можете комбинировать количество фаз с двухполупериодными выпрямителями.
Тип нагрузки: резистивная, емкостная, индуктивная.

Свойства мостовых выпрямителей:

В – напряжение питания,
В _ОС , I _ОС – компонент постоянного выходного напряжения,
I _OSmax – максимальный выходной ток,
N _ip – энергоэффективность,
Коэффициент пульсации цепи,
В _Rmax – Максимальное обратное напряжение.

Полупериодный мостовой выпрямитель

Полупериодный мостовой выпрямитель представляет собой простейшую схему, которая может преобразовывать переменный ток (оба знака, + и -) в ток одного знака (+). После дальнейшей фильтрации полученного выходного тока его можно изменить на постоянный ток.

На выходе этой схемы мы получим синусоиду только с положительной половиной периода, поэтому она и называется полуволновым выпрямителем. Не будет «отрицательной части» синусоиды, потому что выпрямительный диод работает только тогда, когда он смещен в прямом направлении (положительное напряжение). Ток течет через резистивную нагрузку только в одном направлении пульсирующим образом.

Пример диодной схемы однополупериодного мостового выпрямителя показан ниже:

Рис. 8. Схема диодного однополупериодного выпрямителя

Характеристики однополупериодного мостового выпрямителя:

Рис. 9. Временные характеристики однополупериодного моста Выпрямитель

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя показана ниже. Его часто называют мостом Греца.

Рис. 10. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (мост Греца)

Принцип действия двухполупериодного мостового выпрямителя заключается в следующем. На рисунке ниже (красный) показан путь тока, два красных диода смещены в прямом направлении (проводят ток), а два других смещены в обратном направлении (не проводят ток). Ток течет от источника питания через первый красный диод. Потом с первого красного диода через нагрузку. После того, как он пройдет через нагрузку, он потечет через второй красный диод, а затем обратно к источнику питания.

Рис. 11. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (переменный ток, прямое смещение)

Пока напряжение питания меняет полярность, описанная выше ситуация будет противоположной (синяя схема внизу). Два синих диода смещены в прямом направлении (проводят ток), а два других смещены в обратном направлении (не проводят ток). Ток течет от источника питания через первый синий диод. Потом с первого синего диода через нагрузку. После того, как он пройдет через нагрузку, он потечет через второй синий диод, а затем обратно к источнику питания.

Рис. 12. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (переменный ток, обратное смещение)

Характеристики двухполупериодного мостового выпрямителя приведены ниже:

Рис. 13. Временные характеристики однополупериодного мостового выпрямителя

Трехфазный мост Выпрямитель

Использование трехфазного диодного мостового выпрямителя (двухполупериодного мостового выпрямителя) возможно в любой из трехфазных цепей напряжения. При этом выходное напряжение имеет минимальные пульсации. Источники питания используют мощность цепи в наибольшей степени. Трехфазные мостовые выпрямители часто имеют возможность управления выходным током.

Ниже вы можете увидеть схему трехфазного выпрямителя, которая показывает вам, как его можно построить.

Рис. 14. Схема и характеристики трехфазного мостового выпрямителя

Расчет трехфазного мостового выпрямителя

Ниже приведен пример расчета трехфазного мостового выпрямителя с уравнениями и значениями для данной схемы. Результаты представлены в таблице ниже.

P _d – Выходная мощность

В _d – Average value of the rectified voltage

I _d = P _d /V _d – Average value of the rectified current

R = V _d /I _d – Сопротивление системы

Рис. 15. Трехфазный линейный мостовой выпрямитель

Формулы	Результаты трехфазного мостового выпрямителя	Примечания
В _г /В _ж	2,34	В _ф – напряжение фазы трансформатора
В _д /В ₁₂	1,35	В ₁₂ – междуфазный трансформатор напряжения
И/И _д	0,82	I – действующее значение на вторичной стороне трансформатора
В _РРМ /В _д	1,05	В _RRM – Пиковое обратное напряжение, повторяющееся
I _F(AV) /I _d	0,333	I _F(AV) – средний ток проводимости
I _FRMS /I _d	0,58	I _FRMS – действующее значение тока проводимости
P _u =P _d	Р* I _д ²	Выходная мощность
S ₂ /P _d		Мощность обработки вторичной обмотки трансформатора
S ₁ /P _d		Вычислительная мощность первичной обмотки трансформатора
S _т /P _д	1,05	Типовая мощность трансформатора

Двухполупериодный мостовой выпрямитель в виде интегральной схемы

Двухполупериодный мостовой выпрямитель обычно рассматривается как однокристальная интегральная схема. Он построен из четырех выпрямительных диодов по мостовой схеме Гретца. Может использоваться для монтажа THT и SMD. Использование этого решения является наиболее популярным, экономичным и экономит место на печатной плате.

Рис. 16. Мостовой выпрямитель как компонент интегральной схемы

На рисунке выше показаны разъемы, которые есть в каждой интегральной схеме мостового выпрямителя. Знак (+) соответствует выходу + VDC, знак (-) соответствует выходу – VDC, символы (~) соответствуют подключению VAC. Правильное подключение напряжения выполняется путем горизонтального подключения входа VAC к выходу + VDC, а также горизонтального подключения выхода VAC к выходу – VDC.

Михал

Инженер электроники и телекоммуникаций с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.

Английский

Анализ и проектирование эффективной схемы выпрямления диода с физическим ограничением полосы пропускания для максимальной плоской эффективности, широкого импеданса и полосы пропускания эффективности

Анализ и проектирование эффективной схемы выпрямления диода с физическим ограничением полосы пропускания для максимальной плоской эффективности, широкого импеданса и полосы пропускания эффективности

Скачать PDF

Артикул
Открытый доступ
Опубликовано: 07 октября 2021 г.

Babita Gyawali ¹ ^na1 ,
Samundra K. Thapa ¹ ^na1 ,
Adel Barakat ¹ ^na1 ,
Kuniaki Yoshitomi ¹ &
…
Рамеш К. Покхарел ¹ ^na1

Научные отчеты том 11 , Номер статьи: 19941 (2021) Процитировать эту статью

1604 доступа
2 Цитаты
Сведения о показателях

Предметы

Электротехника и электроника
Сбор энергии

Abstract

Как правило, обычная схема удвоителя напряжения имеет большой разброс входного импеданса в зависимости от полосы пропускания, что приводит к ограниченной полосе пропускания и низкой эффективности преобразования ВЧ-постоянного тока. Основным аспектом разработки широкополосных выпрямителей с удвоением напряжения является использование сложных согласующих цепей для достижения декадного и октавного импеданса и эффективности преобразования ВЧ-постоянного тока в полосу пропускания. Тем не менее, описанные методы до сих пор сопровождались большими колебаниями эффективности преобразования ВЧ-постоянного тока в рабочей полосе пропускания. В этой статье мы предлагаем новую схему выпрямления с минимальным межкаскадным согласованием, состоящую из одного короткозамкнутого шлейфа и виртуальной батареи, которая вносит незначительные потери и преодолевает существующие проблемы. Следовательно, предлагаемая схема выпрямителя обеспечивает эффективное выпрямление с физическим пределом полосы пропускания диода. Другими словами, полоса пропускания выпрямления, а также пиковая эффективность контролируются длиной шлейфа и физическими ограничениями диодов.

Введение

В приложениях беспроводной передачи энергии (WPT) и беспроводного сбора энергии (EH) выпрямитель всегда был важным устройством, где мощность радиочастоты (RF) должна быть преобразована в мощность постоянного тока (dc) для питания малой мощности. устройства, такие как беспроводные сенсорные сети, кардиостимуляторы, биомедицинские имплантаты и т. д. ^1,2,3,4,5,6 . Выпрямитель с высокой эффективностью имеет решающее значение в этих областях, потому что эффективность преобразования ВЧ-постоянного тока в цепях выпрямления определяет общую эффективность такой системы. Однако высокая эффективность преобразования схемы выпрямления достижима только после идеального согласования импедансов ^7,8 с импедансом источника. Кроме того, схемы выпрямления на основе диодов имеют большой разброс входного импеданса, что приводит к рассогласованию импедансов. Следовательно, это несоответствующее согласование импеданса всегда было связано с низкой эффективностью схемы выпрямления.

За последние несколько десятилетий были исследованы однодиапазонные и двухдиапазонные выпрямители с высокой эффективностью преобразования как малой, так и большой мощности ^{9,10,11,12,13,14,15,16,17} . В то же время поля БПЭ и ЕН эволюционировали, ориентируясь на системные архитектуры с несколькими частотными передатчиками и приемниками, где общая архитектура системы становится сложной и громоздкой при использовании нескольких узкополосных выпрямителей. Сообщалось о многополосных структурах выпрямителей, таких как трехдиапазонный, четырехдиапазонный, шестидиапазонный 9.0443 18,19,20,21,22 , чтобы противостоять таким системам, но они могут работать только с несколькими определенными полосами частот. С другой стороны, схемы широкополосных выпрямителей могут обрабатывать широкий диапазон радиочастот для преобразования мощности постоянного тока. Впоследствии исследователи изучают различные топологии для разработки высокоэффективных сверхширокополосных схем выпрямления.

В последнее время было исследовано несколько новых методов проектирования высокоэффективных широкополосных выпрямителей от очень низкой до высокой мощности для приложений БПЭ и ЭГ ^{23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37} . Чтобы справиться с большим изменением входного импеданса, используются методы проектирования, такие как конструкция двухкаскадного ВЧ дифференциального выпрямителя ^23,32 , сложное широкополосное согласование линии передачи ^{24,26,27,28,29,30,31,33,35,36 ,37} и т. д. были заняты. Однако все эти работы были не только сложными, но и сопряжены со сложными расчетами. Во всех этих работах эффективность широкополосного преобразования мощности колеблется во всем частотном диапазоне и имеет полосу пропускания с низким импедансом (IBW) и ширину полосы эффективности (EBW). Авторы утверждали, что сообщалось о простых конструкциях широкополосных выпрямителей ^{23,24,25,26,27,28} , однако КПД преобразования в этих конструкциях ограничен (обычно около 60%), и КПД колеблется в рабочем диапазоне частот. Кроме того, сообщалось о широкополосных выпрямителях с равной эффективностью ^32,33 , хотя EBW намного ниже 50%. Сообщалось о широкополосных выпрямителях с высокой IBW и EBW ^29,31,35,36 ; однако размер их схемы больше, чем у других современных устройств. Таким образом, сложно получить одновременно широкополосные выпрямители с высокой IBW, высокой EBW и компактными размерами. Проблемой для всего этого является сложность использования согласования максимально доступной полосы пропускания для сверхширокополосного выпрямления.

В этой статье представлена новая схема выпрямления, которая может использовать максимально доступную полосу пропускания традиционной схемы удвоения напряжения для сверхширокополосного выпрямления. Предлагаемая новая схема выпрямления реализована с минимальным межкаскадным согласованием за счет одного шлейфа короткого замыкания и виртуальной батареи постоянного тока. Это межкаскадное согласование обеспечивает самосогласование входного сопротивления предлагаемой схемы выпрямителя почти до 50 Ом во всей рабочей полосе пропускания. Таким образом, устраняется необходимость во внешней согласующей цепи, что приводит к чрезвычайной миниатюризации схемы. Кроме того, максимальная эффективность и ширина полосы выпрямления зависят от длины шлейфа и физических ограничений диода. Результаты измерений показывают максимальную плоскую эффективность преобразования во всей сверхширокополосной рабочей полосе частот, что подтверждает, что предложенная схема выпрямления достигла физического предела полосы пропускания диода.

Результаты

Теория предлагаемого диодного эффективного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания

Схема традиционного выпрямителя с удвоением напряжения ^{7,13,16,21,22,25,26} показана на рис. 1a. Основными компонентами, используемыми в этой схеме, являются два диода Шоттки (D ₁ и D ₂), один последовательный конденсатор накачки (C ₁) и один конденсатор шунтирующего фильтра (C ₂), который подключен параллельно. с нагрузкой. Функции конденсатора накачки и конденсаторов шунтирующего фильтра заключаются в том, чтобы удвоить пиковое выходное постоянное напряжение и сгладить выходное постоянное напряжение за счет обхода высших гармоник, присутствующих на выходе выпрямителя, соответственно. Хотя литература о конденсаторе накачки ³⁸ и фильтрующего конденсатора ³⁹, эти емкости должны быть достаточно большими в схеме удвоителя напряжения, чтобы охватить всю желаемую полосу частот с меньшими пульсациями выходного напряжения. На рис. 1b показан график входного импеданса для трех случаев: несогласованное состояние, обычное согласование и целевое согласование. Максимально доступная полоса пропускания этой схемы удвоителя напряжения очень широка, примерно от 0,01 до 5,8 ГГц (до рабочей частоты диода 5,8 ГГц), но входное сопротивление схемы не равно 50 Ом, имеет ненулевую мнимую часть и градиенты по диапазон рабочих частот выпрямителя. Ожидается, что он будет иметь плоский реальный импеданс 50 Ом и плоский мнимый импеданс 0 Ом в желаемой полосе частот, и с помощью согласования схемы узкополосного одно- и / или двухдиапазонного выпрямителя можно легко реализовать, как показано на обычном графике согласования на Рис. 1б. Основным требованием для широкополосного выпрямления является согласующая схема с изменяющимся полным сопротивлением без потерь в широком диапазоне частот. Действительно, эту схему согласования с переменным импедансом без потерь трудно реализовать на практике. Следовательно, широкополосный диапазон этой традиционной схемы удвоения ограничен разработанной согласующей схемой. Таким образом, существует компромисс между эффективностью преобразования мощности (PCE) выпрямителя для конструкции широкополосного выпрямителя с широкополосной рабочей частотой ^{23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37} . Сообщалось, что идея снижения порогового напряжения диода за счет повышения температуры ⁴⁰ и пороговой компенсации транзисторов ^41,42 увеличивает выходное напряжение для методов сбора энергии. Однако в диодных выпрямителях, таких как диод Schottky Avago HSMS-2862-TR1, максимальное постоянное напряжение на диоде (${V}_{out, DC}$) ограничено обратным напряжением пробоя и входным напряжением, превышающим это обратное напряжение не будет увеличивать выходное напряжение постоянного тока ⁴³ . В качестве альтернативы мы предлагаем новую концепцию для достижения эффективного широкополосного выпрямления без использования какой-либо внешней согласующей схемы, как мы объясним в следующих параграфах.

Рисунок 1

Основная идея диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания. ( a ) Обычная схема удвоения напряжения. ( b) Сравнение входного сопротивления обычного удвоителя напряжения в трех разных случаях. ( c ) Виртуальная схема удвоения напряжения на основе батареи постоянного тока. ( d ) Входное сопротивление выпрямителя при изменении виртуального напряжения постоянного тока.

Изображение полного размера

В обычной схеме удвоителя напряжения на рис. 1a не так много места для изменения входного импеданса, за исключением шунтирующего конденсатора C ₂ и импеданса нагрузки (${R}_{L }$). Вместо прямого заземления диода D ₂ в обычной схеме удвоителя напряжения использовалась виртуальная батарея постоянного тока для исследования входного импеданса схемы, как показано на рис. 1c. Входной импеданс схемы удвоителя напряжения с виртуальной батареей постоянного тока показан на рис. 1d, где показано, что входной импеданс можно значительно изменить при регулировке напряжения постоянного тока виртуальной батареи. Мы объясняем это поведение, анализируя схему в установившемся режиме. В установившемся режиме D 9{-M},$$

(2)

где ${I}_{b}$ — ток внешнего смещения в мкА, ${I}_{s}$ — ток насыщения в мкА, $N$ — коэффициент идентичности, $T$ — температура в ˚K и ${V}_{ba}$ — постоянное напряжение на переходе, ${C}_{j0}\ ) — значение емкости перехода, когда \({V}_{ba}$ = 0, $M$ — градиент потенциала перехода, а ${V}_{\mathrm{\O}}$ потенциал соединения. Введение виртуальной батареи ${V}_{b}$ уменьшает ${V}_{ba}$, что приводит к увеличению емкости ${C}_{j}$($ {В}_{ба}$). Кроме того, ${I}_{b}$ увеличивается, что приводит к уменьшению ${R}_{j}({I}_{b})$. Эти два явления объясняют причины изменения входного импеданса при наличии виртуальной батареи постоянного тока.

Это показывает, что мы можем добиться некоторого самосогласования схемы удвоителя напряжения, используя виртуальную батарею постоянного тока для обратного смещения на шунтирующем диоде D ₁ вместо прямого заземления. В реальном приложении нет смысла использовать батарею для разработки схемы выпрямителя. Поэтому мы предлагаем альтернативный способ подачи напряжения постоянного тока на шунтирующий диод D ₂, чтобы реализовать это преимущество виртуальной батареи постоянного тока для согласования импеданса в традиционной схеме удвоителя напряжения для широкополосных конструкций выпрямителей.

Предлагаемая реализация выпрямителя и виртуальной батареи

Выпрямитель не может иметь реальный источник постоянного тока или батарею. Так что вместо этого мы можем реализовать виртуальную батарею. Эта виртуальная батарея может быть образована вторичным удвоителем напряжения (состоящим из конденсаторов C ₃ и C ₄, диода D ₃ и D ₄), которые используют один и тот же входной ВЧ-сигнал, как показано на рис. 2a. Конденсатор С ₃ подбирается такой же, как С ₁ и С ₂ для простоты. Окончательная схема компоновки предлагаемой схемы выпрямителя показана на рис. 2б. Электромагнитное (ЭМ) моделирование выполняется для линий передачи в этой схеме. После электромагнитного моделирования расположения линий передачи вместе с расстоянием между конденсаторами и диодами в симуляторе высокочастотной структуры (HFSS) был создан многопортовый файл S-параметров. Поскольку с диодами нельзя работать в программном обеспечении для трехмерного электромагнитного моделирования HFSS, позже этот многопортовый S-параметр из HFSS был импортирован в Keysight ADS в качестве элемента данных для дальнейшего анализа с существующими диодами. Когда общий импеданс схемы предложенной схемы выпрямителя наблюдался как со схемой, так и с компоновкой, созданной с помощью ЭМ-моделирования, было обнаружено, что эта реализация виртуального постоянного напряжения с помощью дополнительной ступени схемы удвоителя напряжения снижает реальную часть входного импеданса схемы почти до 50 Ом. Ом и увеличивает мнимую часть входного импеданса схемы почти до 0 Ом, как показано на рис. 2c,d. Это связано с тем, что входной импеданс является функцией двух параллельных цепей удвоителя напряжения, и общий импеданс уменьшается вдвое.

Рисунок 2

Предлагаемый диодный выпрямитель с физическим ограничением полосы пропускания. ( a ) Схема. ( b ) Маска макета. C 1 = C 2 = C 3 = C 4 = 100 пФ, TL = 3,5 мм мм. ( c ) Реальный входной импеданс предлагаемого выпрямителя с различной длиной шлейфа. ( d ) Воображаемый входной импеданс предлагаемого выпрямителя с различной длиной шлейфа. ( e ) Формы напряжения предлагаемой схемы выпрямителя на частоте 0,5 ГГц для разной длины шлейфа. ( f ) Осциллограммы напряжения предлагаемой схемы выпрямителя на частоте 3 ГГц для разной длины шлейфа.

Изображение с полным размером

Как показано на рис. 2a,b, для оконечной нагрузки конденсатора C ₄ вместо прямого заземления используется короткая шлейфная линия передачи (TL). C ₄ представляет собой блочный конденсатор постоянного тока, представляющий собой разомкнутую цепь на постоянном токе. На частоте 320 МГц C ₄ вместе с шлейфом линии передачи реализуют заземление переменного тока. Чтобы использовать физический предел диода, мы разработали эту длину линии передачи таким образом, чтобы вся схема создавала параллельный резонанс на частоте около 7 ГГц. Таким образом, в интересующей полосе пропускания решаются две задачи проектирования в пределах полосы пропускания с физическим пределом, а именно: (i) действительная часть импеданса сглаживается до 50 Ом. (ii) Мнимая часть импеданса стремится к нулю. При изменении длины шлейфа влияние этого резонанса на действительную и мнимую части входного сопротивления предлагаемой схемы показано на рис. 2в,г соответственно. При входном сопротивлении наблюдалось на уровне TL = 5 мм, хотя такая длина шлейфа обеспечивает практически идеальный входной импеданс 50 Ом, но полоса импеданса составляет всего до 2,9ГГц. Мы можем дополнительно уменьшить длину этого шлейфа для достижения сверхширокополосного отклика. При длине шлейфа TL = 2 мм достижима более широкая полоса пропускания до 4,3 ГГц, но входное сопротивление как действительной, так и мнимой части сильно отличается от согласующего импеданса 50 Ом. Когда длина шлейфа минимальна, мы можем получить дополнительную широкополосность по сравнению с длинной шлейфом, но в то же время нам нужно идти на компромисс с согласованием импеданса. Таким образом, чтобы получить максимальную плоскую эффективность во всей требуемой широкой полосе от этого предлагаемого выпрямителя, необходим точный выбор короткого шлейфа. Поэтому после оптимизации была выбрана длина шлейфа TL = 3,5 мм, которая обладает как нефлуктуирующим входным сопротивлением 50 Ом, так и большей полосой пропускания с минимальным влиянием на эффективность преобразования и выходное напряжение.

Здесь мы обсуждаем заглушку, чтобы проиллюстрировать ее функцию. Осциллограммы напряжения в разных положениях предлагаемой схемы удвоителя напряжения при изменении длины шлейфа на частотах 0,5 ГГц и 3 ГГц показаны на рис. 2e,f соответственно. При длине шлейфа TL = 2 мм идеальное постоянное напряжение появляется в точке ${V}_{b}$ при частоте 0,5 ГГц. Но когда частота составляет 3 ГГц, ${V}_{b}$ колеблется, и в этой точке выпрямитель начинает показывать большую реакцию по переменному току. Аналогичный эффект проявляется и для других отрезков длины. Однако чем больше длина шлейфа, тем больше ${V}_{b}$ амплитуда колебаний. Даже на частоте 3 ГГц отрицательное значение ${V}_{b}$ начинает появляться, когда длина шлейфа составляет 5 мм. Следовательно, выбор длины шлейфа (TL) должен производиться всесторонне, чтобы обеспечить выходное постоянное напряжение как на более низких, так и на более высоких частотах. Таким образом, в предлагаемой нами конструкции широкополосного выпрямителя мы выбрали длину шлейфа 3,5 мм для достижения наилучшего согласования, а также наилучшего напряжения постоянного тока на рабочей сверхширокополосной частоте.

Изготовление и результаты измерений

Образец предлагаемого диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания был изготовлен с использованием подложки Rogers3003™. На рисунке 3 показана фотография изготовленного образца и измерительная установка предлагаемой схемы диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания. Затем рабочие характеристики выпрямителя были проверены путем измерения коэффициента отражения на входе и эффективности, рассчитанной по измеренному выходному напряжению постоянного тока. Данные измерений были взяты для широкого диапазона частот, входной мощности и нагрузки, чтобы получить достаточную демонстрацию.

Рисунок 3

Изготовление и измерительная установка предлагаемой схемы диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания. ( a ) Изготовленный образец фотографии. ( b ) Настройка измерения.

Изображение в полный размер

Коэффициент отражения (|S ₁₁ |) изготовленного выпрямителя наблюдался с помощью анализатора цепей PNA. На рис. 4а показано моделирование и результат измерения входного коэффициента отражения изготовленного выпрямителя при различных уровнях входной мощности при нагрузках с оптимальным КПД. Несмотря на небольшое изменение ширины полосы коэффициента отражения, результат измерения хорошо отражает тенденцию входного коэффициента отражения при моделировании. Такое изменение коэффициента отражения, скорее всего, связано с эффектом паразитной емкости корпуса, который не учитывался при моделировании. Из измеренного коэффициента отражения видно, что схема выпрямителя обеспечивает коэффициент отражения менее − 10 дБ в диапазоне частот от 0,06 до 3,32 ГГц, что соответствует расчетной IBW 192,9% с использованием уравнения. (3). Более того, эта IBW действительна для широкого диапазона уровней входной мощности от 10 до 27 дБм.

$$IBW= \frac{{f}_{u, |S11|}-{f}_{l, |S11|}}{\left(\frac{{f}_{u, |S11| }+{f}_{l, |S11|}}{2}\right)} \times 100\%,$$

(3)

где, ${f}_{l, |S11| }$ и ${f}_{u, |S11|}$ — нижняя и верхняя частоты, соответственно, указывающие на − ширину полосы пропускания 10 дБ при коэффициенте отражения |S ₁₁ |.

Рисунок 4

Результаты моделирования и измерений предлагаемого диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания. ( a ) Входной коэффициент отражения |S ₁₁ | при разных уровнях входной мощности. ( b ) Выходное напряжение в зависимости от уровня входной мощности на разных частотах. ( c ) Осциллограф измерил форму сигнала входного напряжения для различных уровней входной мощности на частоте 1 ГГц. ( d ) Масштабированный осциллограф измерил форму волны выходного напряжения для различных уровней входной мощности на частоте 1 ГГц и 1,3 кОм.

Изображение полного размера

На рис. 4b показано смоделированное и измеренное выходное напряжение изготовленного выпрямителя. На рис. 4c,d показаны измеренные осциллографом входные и выходные сигналы напряжения для четырех различных входных мощностей (Pin = 5 дБм, 10 дБм, 15 дБм и 18 дБм). Максимальная входная мощность измерения была ограничена пределом измерения используемого осциллографа с цифровым люминофором Tektronix (деталь № DPO 70404C). Напряжение, измеренное осциллографом, записывается как падение напряжения в пределах внутреннего сопротивления осциллографа 50 Ом, как показано в измерительной установке на рис. 3b. Затем выходное напряжение, изображенное на рис. 4d, было рассчитано как

$${V}_{out}=\left(\frac{{R}_{L}}{50}+1\right)\times {V}_{осциллограф}.$$

(4 )

Измеренное выходное напряжение в момент времени Pin = 15 дБм при входной мощности 1 ГГц почти точное, а измеренное осциллографом выходное постоянное напряжение почти плоское, как можно интерпретировать из рис. 4d.

Эффективность преобразования представляет собой отношение выходной мощности постоянного тока, подаваемой к импедансу нагрузки ${R}_{L}$, к мощности, подаваемой источником на вход схемы выпрямителя, что представлено как, 9{2}}{{R}_{L}{P}_{in}}\times 100\mathrm{\%}.$$

(5)

Эффективность преобразования выпрямителя рассчитана и представлена на рис. 5 в разных условиях. Полученная смоделированная максимальная эффективность преобразования составляет 78,867 % при входной мощности 21 дБм с полным сопротивлением нагрузки 1 кОм на частоте 1,5 ГГц, тогда как измеренная максимальная полученная эффективность преобразования составляет 77,3 % при входной мощности 23 дБм с полным сопротивлением нагрузки 1,3 кОм на частоте 0,9 ГГц. частота. Эффективность преобразования в рабочей полосе частот при различных уровнях входной мощности при нагрузках с оптимальным КПД показана на рис. 5б. Эффективность остается выше 50% во всем диапазоне IBW от 0,06 до 3,32 ГГц при уровнях входной мощности от 10 до 27 дБм. При входной мощности от 20 дБм до 23 дБм эффективность преобразования остается выше 70 % в диапазоне частот от 0,06 до 1,82 ГГц. Расчетная пропускная способность эффективности (EBW) с использованием уравнения. (6) составляет 187,23% (при сохранении эффективности преобразования > 70%), тогда как 192,9% (при сохранении эффективности преобразования > 50%), что является самым высоким из когда-либо зарегистрированных значений, чем у других широкополосных выпрямителей ^{23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36 ,37} . При этом КПД во всей рабочей полосе имеет незначительные колебания.

$$EBW= \frac{{f}_{u, \eta}-{f}_{l, \eta}}{\left(\frac{{f}_{u, \eta}+{ f}_{l, \eta}}{2}\right)} \times 100\%,$$

(6)

где, ${f}_{l,\upeta }$ и \ ({f}_{u,\upeta }\) — это нижняя и верхняя частоты, указывающие на пропускную способность эффективности на графике зависимости эффективности от частоты для эффективности, превышающей или равной указанному проценту.

Рисунок 5

Результаты моделирования и измерений предлагаемого диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания. ( a ) Эффективность в зависимости от входной мощности на разных частотах. ( b ) Эффективность в зависимости от частоты при различных уровнях входной мощности. ( c ) Эффективность в зависимости от частоты при различных нагрузках. ( d ) Эффективность в зависимости от нагрузки при различных уровнях входной мощности.

Изображение полного размера

Смоделированные и измеренные КПД преобразования при различных нагрузках с оптимальной эффективностью входной мощности в полосе рабочих частот представлены на рис. 5с, тогда как при переменной нагрузке при различных уровнях входной мощности на оптимальной частоте эффективности представлены Рис. 5г. Из этих графиков можно сделать вывод, что предлагаемый выпрямитель поддерживает широкий диапазон нагрузок, сохраняя при этом максимальную плоскую эффективность.

Сравнение производительности предлагаемого нами диодного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания с другими зарегистрированными широкополосными выпрямителями представлено в Таблице 1. Можно сделать вывод, что предлагаемый диодный выпрямитель с физическим ограничением полосы пропускания имеет самый высокий из когда-либо достигнутых значений IBW, равный 192,9 %. когда-либо достигнутый EBW 192,9% и минимальный размер схемы при сохранении плоской эффективности выпрямления выше 50% от 0,06 до 3,32 ГГц для уровней входной мощности от 10 до 27 дБм и выше 70% от 0,06 ГГц до 1,82 ГГц для входной мощности уровни от 20 до 23 дБм. Кроме того, предложенный диодный выпрямитель с физическим ограничением полосы пропускания имеет пиковую эффективность выпрямления 77,3% при уровне входной мощности 23 дБм, импедансе нагрузки 1,3 кОм и частоте 0,9.ГГц.

Таблица 1 Сравнение производительности выпрямителя с другими современными устройствами.

Полная таблица

Заключение

В этой статье мы представили эффективную диодную схему выпрямления с физическим ограничением полосы пропускания. Эта новая схема выпрямления была реализована с минимальным межкаскадным согласованием и состоит из одного шлейфа короткого замыкания и виртуальной батареи, что вносит незначительные потери. Такая схема устранила необходимость в сложных согласующих элементах для реализации октавного или декадного импеданса в обычных схемах удвоения напряжения. Полоса выпрямления и максимальная эффективность плоского преобразования могут регулироваться длиной межкаскадного шлейфа и физическими ограничениями используемых диодов. Эта предложенная схема выпрямления была изготовлена и измерена для проверки. Результаты измерений этой новой схемы выпрямления хорошо согласуются с результатами моделирования. Наконец, представленные результаты показали, что эта предложенная новая схема выпрямления достигла максимальной постоянной эффективности во всей сверхширокой полосе выпрямления от 0,06 до 3,32 ГГц и превосходит другие известные современные схемы. Таким образом, эту сверхширокополосную схему выпрямления можно рассматривать как наилучший кандидат для компактных высокоэффективных широкополосных беспроводных систем EH и WPT.

Методы

Моделирование схем и электромагнитного поля

Мы использовали программное обеспечение Keysight Advanced Design System (версия ADS #2014.01) для моделирования и оптимизации размеров схемы выпрямителя, а также программу ANSYS High-Frequency Structure Simulator (версия HFSS #2018.01) для моделирования электромагнитного поля. окончательного макета.

Изготовление образцов

Прототип изготовлен на фрезерном станке MITS FP-21T Precision.

Материалы

Мы использовали Rogers RO3003 (диэлектрическая проницаемость = 3, высота = 0,762 мм и толщина меди = 17 мкм) как во время моделирования, так и при подготовке прототипа. Используемые конденсаторы с сосредоточенными параметрами представляли собой высококачественные конденсаторы серии GJM от Murata electronics. Модель диода Schottky Avago HSMS-2862-TR1 ⁴⁴ ( B _v = 7,0 В, В _й = (0,25–0,35) В, R _с = 5$\Омега$ С _j0 = 0,18 пФ , I _с = 5 × 10 ⁻⁸ A, M = 0,5 , N = 1,08) использовались в качестве выпрямительного диода для получения максимальной эффективности выпрямления в широкополосной рабочей частоте. Причиной выбора этого диода является то, что он обладает низким пороговым напряжением (Vth), низким нелинейным сопротивлением (Rs) и высоким напряжением пробоя (${B}_{v}$) для достижения максимальной эффективности в сверхшироких рабочая полоса пропускания для приложений WPT.

Измерительная установка: для коэффициента отражения

Измерительная установка для измерения коэффициента отражения изготовленной схемы выпрямителя состоит из векторного анализатора цепей Keysight серии PNA (деталь № N5222A), радиочастотных кабелей, резисторов и макетной платы. Сигналы различной мощности и частоты подавались от PNA по коаксиальному кабелю к прототипу выпрямителя, и фиксировался коэффициент отражения для различных условий резистивной нагрузки. Результат измерения коэффициента отражения для сопротивления нагрузки с оптимальной эффективностью показан на рис. 4а для различных уровней входной мощности.

Измерительная установка: для расчета эффективности

Измерительная установка для расчета эффективности выпрямления предлагаемого выпрямителя состоит в основном из векторного генератора сигналов Anritsu (деталь № MG3710A), радиочастотных кабелей, цифрового мультиметра, резисторов и макетной платы. ВЧ-питание выпрямителя осуществляется от векторного генератора сигналов по коаксиальному кабелю. Выходное постоянное напряжение измеряется цифровым мультиметром. Уровень входной мощности сначала устанавливался на уровне − 20 дБм, а с шагом увеличения от 1 дБм до 30 дБм регистрировалось выходное напряжение. При этом от генератора сигналов к схеме выпрямителя для разных нагрузок подавались разные входные мощности с разными частотами, и измерялось выходное напряжение. Позже по этому измеренному напряжению была рассчитана эффективность выпрямления при различных условиях.

Измерительная установка: для формы сигнала входного-выходного напряжения

Схема измерительной установки для измерения формы входного и выходного напряжения состоит из векторного генератора сигналов Anritsu (деталь № MG3710A), осциллографа с цифровым люминофором Tektronix (деталь № DPO 70404C) , радиочастотные кабели, резисторы и макетная плата. Входное и выходное напряжения регистрировались с помощью осциллографа.

История изменений

22 марта 2022 г.
Опубликовано исправление к данному документу: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09087-y

Ссылки

Петриц, А. и др. Незаметное устройство сбора энергии и биомедицинский датчик на основе сверхгибких сегнетоэлектрических преобразователей и органических диодов. Нац. коммун. 12 , 2399 (2021).
ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый
Покхарел, Р. К., Баракат, А., Альшхави, С., Йошитоми, К. и Саррис, К. Беспроводная система передачи энергии, жестко связанная с характеристиками ткани, с использованием геометрии, вдохновленной метаматериалом, для биомедицинских имплантатов. Науч. Респ. 11 , 5868 (2021).
ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый
«>
Hekal, S. и др. Новый метод для компактных приложений беспроводной передачи энергии с использованием дефектных наземных структур. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 65 , 591–599 (2017).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Шарма, Р. и др. Массив осцилляторов вращающего момента с электрическим соединением для передачи в диапазоне 2,4 ГГц Wi-Fi и сбора энергии. Нац. коммун. 12 , 2924 (2021).
ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый
Ассававоррарит, С. и Фан, С. Надежная и эффективная беспроводная передача энергии с использованием реализации нелинейной симметричной схемы с контролем четности и временем переключения. Нац. Электрон. 3 , 273–279 (2020).
Артикул Google ученый
«>
Баракат А., Йошитоми К. и Покхарел Р. К. Подход к проектированию эффективных систем беспроводной передачи энергии при боковом смещении. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 66 , 4170–4177 (2018).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Visser, H.J. & Vullers, R.J.M. Сбор и транспортировка радиочастотной энергии для приложений беспроводной сенсорной сети: принципы и требования. Проц. IEEE 101 , 1410–1423 (2013).
Артикул Google ученый
Хамид, З. и Моэз, К. Проектирование цепей согласования импеданса для систем сбора радиочастотной энергии. Микроэлектрон. J. 62 , 49–56 (2017).
Артикул Google ученый
Ван С., Шинохара Н. и Митани Т. Исследование одноступенчатого выпрямителя подкачки заряда 5,8 ГГц для внутренней беспроводной системы спутника. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 65 , 1058–1065 (2017).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Нго, Т., Хуанг, А.-Д. & Го, Ю.-Х. Анализ и разработка схемы реконфигурируемого выпрямителя для беспроводной передачи энергии. IEEE Trans. Инд. Электрон. 66 , 7089–7098 (2019).
Артикул Google ученый
Хуанг Ю., Шинохара Н. и Митани Т. Постоянная эффективность схемы выпрямления в чрезвычайно широком диапазоне нагрузок. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 62 , 986–993 (2014).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Мухаммад, С. и др. Схема компактного выпрямителя для сбора энергии окружающей среды стандарта GSM/900. Электроника 9 , 1614 (2020).
Артикул Google ученый
«>
Lin, Q.W. & Zhang, X.Y. Дифференциальный выпрямитель, использующий цепь сжатия сопротивления для повышения эффективности в расширенном диапазоне входной мощности. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 64 , 2943–2954 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Ассимонис С. Д., Фуско В., Георгиадис А. и Самарас Т. Эффективная и чувствительная электрически малая ректенна для сбора радиочастотной энергии сверхмалой мощности. Науч. Респ. 8 , 15038 (2018).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Абуалааа, М. и др. Двухдиапазонная CPW-ректенна для приложений по сбору энергии с низким энергопотреблением. IET Circuits Devices Syst. 14 , 892–897 (2020).
Артикул Google ученый
Шариати, Н. , Роу, У. С. Т., Скотт, Дж. Р. и Горбани, К. Многофункциональный высокочувствительный выпрямитель для улучшенного поглощения радиочастотной энергии. Науч. Респ. 5 , 9655 (2015).
ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый
Лю Дж., Хуанг М. и Ду З. Разработка компактных двухдиапазонных ВЧ-выпрямителей для беспроводной передачи энергии и сбора энергии. IEEE Access 8 , 184901–184908 (2020 г.).
Артикул Google ученый
Tafekirt, H., Pelegri-Sebastia, J., Bouajaj, A. & Reda, B.M. Чувствительный трехдиапазонный выпрямитель для систем сбора энергии. IEEE Access 8 , 73659–73664 (2020 г.).
Артикул Google ученый
Song, C. и др. Новые компактные и широкополосные ректенны с возможностью выбора частоты для широкого диапазона входной мощности и импеданса нагрузки. IEEE Trans. Антенны Распространение. 66 , 3306–3316 (2018).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Lu, J.-J., Yang, X.-X., Mei, H. & Tan, C. Четырехдиапазонный выпрямитель с адаптивной мощностью для сбора электромагнитной энергии. IEEE Микров. Провод. комп. лат. 26 , 819–821 (2016).
КАС Статья Google ученый
Kuhn, V., Lahuec, C., Seguin, F. & Person, C. Многодиапазонный каскадный сборщик энергии RF с эффективностью RF-to-DC до 84%. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 63 , 1768–1778 (2015).
ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый
Сонг, К. и др. Новая шестидиапазонная двойная CP-ректенна, использующая улучшенную технику согласования импеданса для сбора внешней радиочастотной энергии. IEEE Trans. Антенны Распространение. 64 , 3160–3171 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Мансур, М. М., Полозец, X. Л. и Каная, Х. Компактный и широкополосный высокочастотный дифференциальный выпрямитель с улучшенной эффективностью для беспроводного сбора энергии. В Международный симпозиум IEEE/MTT-S по микроволновым технологиям, 2018 — IMS , 972–975 (IEEE, 2018).
Ли, Л.-Ф., Ян, С. и Лю, Э.-Дж. Широкополосный высокоэффективный выпрямитель на основе двухуровневой схемы согласования импедансов. ПИР Летт. 72 , 91–97 (2018).
Артикул Google ученый
Мансур, М. М. и Каная, Х. Компактный и широкополосный радиочастотный выпрямитель с полосой пропускания 1,5 октавы на основе простой пары согласующих L-образных цепей. IEEE Микров. Беспроводной компонент. лат. 28 , 335–337 (2018).
Артикул Google ученый
Не, М.-Дж., Ян, X.-X. и Лу, Дж.-Дж. Широкополосная выпрямительная схема с высоким КПД для передачи СВЧ-энергии. ПИР Летт. 52 , 135–139 (2015).
Артикул Google ученый
Не, М.-Дж., Ян, X.-X., Тан, Г.-Н. и Хан, Б. Компактная широкополосная ректенна 2,45 ГГц с заземленным копланарным волноводом. Антенны Проводные. Пропаг. лат. 14 , 986–989 (2015).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Ван, Д., Нгием, X. А. и Негра, Р. Проектирование микроволнового выпрямителя с полосой пропускания 57 % для питания приложений. В 2014 IEEE Wireless Power Transfer Conference , 68–71 (IEEE, 2014).
«>
Park, H. S. & Hong, S. K. Широкополосный выпрямитель RF-to-DC с несложной согласующей сетью. IEEE Микров. Беспроводной компонент. лат. 30 , 43–46 (2020).
Артикул Google ученый
Ву, П. и др. Компактный высокоэффективный широкополосный выпрямитель с многоступенчатым согласованием с линией передачи. IEEE Trans. Цепи Сист. II 66 , 1316–1320 (2019).
Артикул Google ученый
Чжэн С., Лю В. и Пан Ю. Разработка сверхширокополосного высокоэффективного выпрямителя для беспроводной передачи электроэнергии и уборки урожая. IEEE Trans. Инд Инф. 15 , 3334–3342 (2019).
Артикул Google ученый
Чжан, X.Y., Ду, Z.-X. & Xue, Q. Высокоэффективный широкополосный выпрямитель с широким диапазоном входной мощности и выходной нагрузки на основе ответвителя ответвления. IEEE Trans. Цепи Сист. I 64 , 731–739 (2017).
Артикул Google ученый
Линь Ю.Л., Чжан X.Ю., Ду З.-Х. & Lin, QW Высокоэффективный микроволновый выпрямитель с расширенной рабочей полосой пропускания. IEEE Trans. Цепи Сист. II 65 , 819–823 (2018).
Артикул Google ученый
Сонг, К. и др. Соответствующее исключение сети в широкополосных ректеннах для высокоэффективной беспроводной передачи энергии и сбора энергии. IEEE Trans. Инд. Электрон. 64 , 3950–3961 (2017).
Артикул Google ученый
Кимионис, Дж., Колладо, А., Тенцерис, М.М. и Георгиадис, А. СШП-выпрямители, напечатанные Octave и десятилетие, основанные на неоднородных линиях передачи для сбора энергии. IEEE Trans. Микров. Теория Техн. 65 , 4326–4334 (2017).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Ву, П., Хуан, С. Ю., Чжоу, В. и Лю, К. Выпрямитель с полосой пропускания одной октавы с частотно-селективной диодной матрицей. IEEE Микров. Беспроводной компонент. лат. 28 , 1008–1010 (2018).
Артикул Google ученый
Zhang, H. & Zhu, X. Широкополосный высокоэффективный выпрямитель для сбора внешней радиочастотной энергии. In 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014) , 1–3 (IEEE, 2014).
Ryder, JD Electronic Fundamentals & Applications (Pitman Publishing, 1970).
Google ученый
Кестер В., Эрисман Б. и Танди Г. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами. Технический отчет, Analog Devices (1998). http://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Practical-Design-Techniques-Power-Thermal/Section4.pdf. (По состоянию на 10 сентября 2021 г.).
Рао С., Пангалло Г., Делла Корте Ф. Г. и Нипоти Р. Выпрямитель с удвоением напряжения на основе 4H-SiC-диодов для высокотемпературных приложений сбора энергии. 2015 XVIII Ежегодная конференция AISEM , 1–3 (IEEE, 2015). https://doi.org/10.1109/AISEM.2015.7066776.
Hameed, Z. & Moez, K. 3,2 В –15 дБмВт адаптивный сборщик ВЧ энергии с компенсацией порогового напряжения в КМОП 130 нм. IEEE Trans. Цепи Сист. я 62 , 948–956 (2015).
MathSciNet Статья Google ученый
Мохамед, М. М. и др. Высокоэффективный КМОП-выпрямитель RF-to-DC, основанный на методе динамического снижения порога для приложений беспроводной зарядки. IEEE Access 6 , 46826–46832 (2018 г.).
Артикул Google ученый
Valenta, C.R. & Durgin, G.D. Сбор беспроводной энергии: исследование эффективности преобразования энергии в беспроводных системах передачи энергии в дальней зоне. IEEE Микров. Маг. 15 , 108–120 (2014).
Google ученый
Avago Technologies. Микроволновые детекторные диоды Шоттки для поверхностного монтажа серии HSMS-286X. Технический паспорт . https://docs.broadcom.com/doc/AV02-1388EN (по состоянию на 10 марта 2021 г.).

Ссылки на скачивание

Благодарности

Эта работа была частично поддержана грантом MIC/SCOPE номер: JP215010003, частично грантом JSPS KAKENHI номер: 21K04178, частично Фондом продвижения технологий для электронных печатных плат, и частично за счет исследовательского гранта от The Murata Science Foundation. Эта работа также поддерживалась благодаря деятельности VDEC Токийского университета в сотрудничестве с Keysight Technologies Japan, Ltd.

Информация об авторе

Примечания автора

Эти авторы внесли равный вклад: Бабита Гьявали, Самундра К. Тапа, Адель Баракат и Рамеш К. Покхарел.

Авторы и филиалы

Высшая школа информатики и электротехники, Университет Кюсю, Ниши-Ку, Фукуока, 819-0395, Япония
Бабита Гьявали, Ёситоми К. Тапа, Кунидела Баракато Рамеш К. Покхарел

Авторы

Бабита Гьявали
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
Samundra K. Thapa
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
Adel Barakat
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия
Куниаки Ёситоми
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
Ramesh K. Pokharel
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

B.G., S.K.T., A.B. и Р.К.П. предложил идею. Б.Г. и С.К.Т. провел моделирование и замеры. Б.Г., С.К.Т., А.Б. и К.Ю. принимали участие в установке измерений и подготовке образцов. Б.Г. и С.К.Т. написал рукопись и рецензировал А.Б. и Р.К.П. Все авторы приняли участие в обсуждении и дали обратную связь.

Авторы переписки

Переписка с Бабита Гьявали или Рамеш К. Покхарел.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.

Первоначальная онлайн-версия этой статьи была изменена: Первоначальная версия этой статьи содержала ошибку в разделе «Благодарности». «Эта работа была частично поддержана номером гранта JSPS KAKENHI: 21K04178, частично номером гранта MIC/SCOPE: 21452069., частично за счет Фонда продвижения технологий для электронных печатных плат, а частично за счет исследовательского гранта Научного фонда Мурата». теперь гласит: «Эта работа была частично поддержана номером гранта MIC/SCOPE: JP215010003, частично номером гранта JSPS KAKENHI: 21K04178, частично Фондом продвижения технологий для электронных печатных плат и частично исследовательским грантом. из Научного фонда Мурата».

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, ссылку на лицензию Creative Commons и указать, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Скачать PDF

Силовые диоды и выпрямители — Electronics-Lab.com

Силовые диоды и выпрямители

Диод представляет собой полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении при прямом смещении и блокирующий ток при обратном смещении. Это было объяснено в предыдущей статье «Сигнальный диод». Эта особенность диода напоминает переключатель или клапан и может использоваться для обеспечения прохождения тока только при определенных желаемых условиях.

В статье «Сигнальный диод» описаны наиболее популярные применения диодов, одно из них Исправление. Выпрямление означает в электрических терминах преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) с использованием электронного оборудования. Переменный ток является двунаправленным, имеющим положительные и отрицательные значения, а постоянный ток является однонаправленным, положительным или отрицательным. Сигнал постоянного тока в идеале должен обеспечивать непрерывное и постоянное значение. Схемы выпрямителей в основном используются в источниках питания, инверторах, зарядных устройствах и т. д. Диоды, используемые в цепях большой мощности, называются Силовые диоды .

Силовой диод

Силовой диод способен пропускать через себя большой ток и выдерживать высокое напряжение. Он имеет больший PN-переход по сравнению с простым диодом и поэтому может пропускать через него несколько сотен ампер. Однако более крупный PN-переход силового диода делает его менее чувствительным к высокочастотным сигналам. Имеющиеся в продаже силовые диоды используются в зарядных устройствах, инверторах, выпрямителях и т. д. Из-за их способности выдерживать высокое напряжение они используются в качестве обратных диодов для защиты от скачков напряжения.

Силовые диоды имеют более высокое напряжение пробоя и обычно классифицируются на:

Общего назначения
Быстрое восстановление
Шоттки

Силовые диоды общего назначения чаще всего используются в электронных схемах, включающих источники питания и выпрямители. Серия силовых диодов со стеклянным пассивированием типа 1N400X (от 1N4001 до 1N4007) имеет номинальное напряжение от 50 В до почти 1000 В с допустимой нагрузкой по прямому току 1A при этих напряжениях.

На следующем рисунке показана простая схема силового диодного выпрямителя. Это простейший пример выпрямителя, который называется однополупериодным выпрямителем r, который объясняется ниже в статье.

Рис. 1: Простой двухполупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель имеет синусоидальный вход, а силовой диод проводит (ON) только во время положительного (+) цикла (половина полного цикла), когда анод более положителен по отношению к катоду. В следующем полупериоде (отрицательном) силовой диод блокирует (OFF) ток до следующего положительного полупериода. Напряжение появляется на сопротивлении нагрузки только в течение периода ВКЛ. Входная синусоидальная волна отсекается во время отрицательных полупериодов, а на выходе появляются только положительные полупериоды. Выпрямление только в течение полупериодов определяет схему как однополупериодный выпрямитель.

В дополнение к прямому выпрямлению диоды могут использоваться для выпрямления в течение полного цикла и называются «двухполупериодными» или «мостовыми» выпрямителями.

Выпрямители

Выпрямители, основанные исключительно на диодах, представляют собой неуправляемые выпрямители, выходная мощность которых не может регулироваться и остается постоянной. Выпрямители на основе выпрямителей, управляемых кремнием (SCR), являются управляемыми выпрямителями, и выход выпрямителей можно контролировать с помощью углов зажигания SCR.

Цепь однополупериодного силового выпрямителя

Продолжая приведенную выше схему однополупериодного выпрямителя мощности, схема однополупериодного выпрямителя для преобразования сетевого питания (230 В переменного тока _RMS ) в 10 В постоянного тока поясняется для понимания. Прежде основные расчеты были пересмотрены, чтобы справиться с предстоящим объяснением схемы однополупериодного выпрямителя.

Рис. 2. Синусоидальный сигнал.

Среднее значение периодического сигнала приведено ниже:

Для синусоидального сигнала положительные полупериоды равны отрицательным полупериодам, и это уравновешивает нулевое среднее значение. Для однополупериодного выпрямителя среднее значение дается следующим образом:

Рис. 3: Полувыпрямленная синусоидальная волна.

На полувыпрямленном рисунке показано, что Период времени = 2π и отсутствие (нулевого) сигнала в течение отрицательного (-) полупериода, в результате чего: сигнал переменного тока для расчета мощности и рассчитывается как:

В двух словах, для однополупериодного выпрямителя:

Теперь рассмотрим следующую схему однополупериодного выпрямителя, в которой трансформатор (100:1) используется для понижения сетевого напряжения с 230 В переменного тока до 23 В переменного тока. .

Рис. 4: Пример типичного однополупериодного силового выпрямителя.

Используя приведенные выше формулы для вторичной обмотки этой цепи:

Итак, 10 В _{постоянного тока} появляется на нагрузке 1 кОм. Средний ток, протекающий через нагрузку:

Для рассеиваемой мощности можно использовать следующую формулу, предполагая, что это чисто сигнал постоянного тока.

В однополупериодных выпрямителях только 50 % входного сигнала преобразуется в сигнал постоянного тока, а остальные 50 % теряются из-за выключенного состояния выпрямителя. Из-за этого на нагрузку подается меньшее среднее значение, и схема не так эффективна. Кроме того, однополупериодный выпрямитель подвержен пульсациям из-за большего периода остановки и частых переключений. Пульсации вызывают колебания и нежелательны в электронных и цифровых схемах. Пульсации вызывают ненужный нагрев, искажения, шум и т. д. В частности, в цифровых схемах они могут вызвать сбои в работе и дать нежелательный результат.

Пульсаций можно в первую очередь избежать с помощью шунтирующего конденсатора, который называется конденсатором фильтра или сглаживающим конденсатором из-за его назначения в цепи. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром показана на следующем рисунке. Схема называется пиковым выпрямителем.

Рис. 5: Однополупериодный силовой выпрямитель с емкостным фильтром.

Конденсатор действует как накопитель или резервуар и питает нагрузку в период ВЫКЛ. Емкость конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы его постоянная времени была (RC) >> период времени синусоидального сигнала. Конденсатор заряжается до пикового напряжения в начальном положительном цикле, а когда начинается отрицательный цикл, диод отключает питание конденсатора. Диод питает нагрузку и заряжает конденсатор в течение периода (Δt). В остальное время конденсатор обеспечивает ток нагрузки до тех пор, пока входное напряжение не станет равным напряжению затухания конденсатора во время следующего положительного цикла. Начинается перезарядка конденсатора, и процесс продолжает повторяться.

Рисунок 6: Выходная полуволна после использования емкостного фильтра.

Напряжение пульсаций однополупериодного выпрямителя определяется по следующей формуле:

Однополупериодные выпрямители редко используются из-за их низкой средней выходной мощности и половины входного цикла не используется. Их можно встретить в маломощных или дешевых блоках питания. Вместо этого используется двухполупериодный или мостовой выпрямитель из-за его высокой средней выходной мощности и использования обоих входных циклов.

Заключение

Силовой диод используется для приложений с высоким током и высоким напряжением.
Силовые диоды имеют больший PN-переход и, соответственно, большее напряжение пробоя.
менее чувствительны к высокочастотным сигналам, таким как сигналы частотой более 1 МГц.
Силовые диоды используются в источниках питания, зарядных устройствах, выпрямителях, инверторах и т. д.
Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный.
Однополупериодный выпрямитель использует один силовой диод для преобразования полупериода входного цикла.
Среднее или постоянное значение на выходе однополупериодного выпрямителя равно V _DC = 0,318XV _P или 0,45XV _RMS .

Выпрямительный диод: параметры и схема

Принцип работы выпрямительного диода

Основные параметры выпрямительных диодов

Схема включения выпрямительного диода

Выпрямительный диод. Схемы выпрямителей

параметры и схема :: SYL.ru

Классификация

Германий или кремний

Технология изготовления

Конструкция

Характеристики

Схема простейшего выпрямителя переменного тока

Недостатки

Диодный мост

Как работает выпрямительный диод? – Определение конструкции и исправления

Категория артикулов

Выпрямительный диод – технические параметры

Выпрямительный диод – Задания для школьников

Выпрямительный диод – вольт-амперные характеристики

Как проверить выпрямительный диод?

Мостовые выпрямители

Полупериодный мостовой выпрямитель

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Предметы

Abstract

Введение

Результаты

Теория предлагаемого диодного эффективного выпрямителя с физическим ограничением полосы пропускания

Предлагаемая реализация выпрямителя и виртуальной батареи

Изготовление и результаты измерений

Заключение

Методы

Моделирование схем и электромагнитного поля

Изготовление образцов

Материалы

Измерительная установка: для коэффициента отражения

Измерительная установка: для расчета эффективности

Измерительная установка: для формы сигнала входного-выходного напряжения

История изменений

22 марта 2022 г.

Ссылки

Благодарности

Информация об авторе

Авторы и филиалы

Contributions

Авторы переписки

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Дополнительная информация

Примечание издателя

Права и разрешения

Об этой статье

Комментарии

Силовые диоды и выпрямители — Electronics-Lab.com

Силовые диоды и выпрямители

Силовой диод

Выпрямители

Цепь однополупериодного силового выпрямителя

Заключение

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики