Випрямний діод: параметри та схема

Випрямний діод - це діод на основі напівпровідникового матеріалу, який призначений для того, щоб перетворювати змінний струм в постійний. Щоправда, цією функцією сфера застосування цих радіодеталей не вичерпується: вони застосовуються для комутації, в потужнострумових схемах, де немає твердої регламентації часових і частотних параметрів електричного сигналу.

Класифікація

У відповідності зі значенням прямого струму, який є максимально допустимим, випрямний діод може мати малу, середню і велику потужності:

малій - випрямляють прямий струм до 300 mA;

випрямні діоди середньої потужності - від 300 ма до 10 А;

великий - більше 10 А.

Германій або кремній

По застосовуваних матеріалах вони бувають кремнієві та германієві, однак більш широке застосування знайшли кремнієві випрямні діоди завдяки своїм фізичним властивостям. У них зворотні струми в кілька разів менше, ніж у германієвих, в той час як напруга однаково. Це дає можливість домагатися в напівпровідниках дуже високої величини допустимих обернених напруг, які можуть становити до 1000-1500 Ст. У германієвих діодах цей параметр знаходиться в діапазоні 100-400 Ст.




Кремнієві діоди здатні зберігати працездатність в діапазоні температур від -60 С до +150 С, а германієві – тільки від -60 С до +85 С. Це відбувається тому, що коли температура стає вище 85 oС, кількість утворених електронно-діркових пар досягає таких величин, що різко зростає зворотний струм, і випрямляч перестає працювати ефективно.

Технологія виготовлення

Випрямний діод по конструкції являє пластину напівпровідникового кристала, в тілі якої є дві області, які мають різну провідність. Це послужило причиною того, що їх називають площинними. Випрямні діоди напівпровідникові робляться так: на області кристала напівпровідника, має провідність n-типу, відбувається розплавлення алюмінію, індія або бору, а на область кристала з провідністю p-типу розплавляється фосфор. При впливі високих температур ці дві речовини міцно сплавляються з напівпровідникової основою. Крім того, атоми цих матеріалів дифундують всередину кристала з утворенням у ньому області з переважно електронній або дірковою провідністю. В результаті утворюється напівпровідниковий прилад, що має дві області з різного типу електропровідністю, а між ними утворений p-n-перехід. Такий принцип роботи переважної більшості площинних діодів із кремнію і германія.

Конструкція

Для того щоб організувати захист від впливів ззовні, а також домогтися надійного відведення тепла, кристал, який має p-n-перехід, монтується в корпусі.
Діоди, які мають малу потужність, виробляють в корпусі з пластмаси, забезпечивши гнучкими зовнішніми виводами. Випрямні діоди середньої потужності мають металлостеклянний корпус вже з жорсткими зовнішніми виводами. Деталі великої потужності розміщуються в корпусі з металлостекла або металокераміки. Кремнієві або германієві кристали з p-n-переходом припаюють до кристаллодержателю, який одночасно служить підставою корпусу. До нього ж приварюють корпус, що має скляний ізолятор, крізь який йде висновок одного з електродів. Діоди малої потужності, які мають порівняно малі габарити і вагу, мають гнучкими висновками, за допомогою яких монтуються в схемах. Оскільки струми, з якими працюють напівпровідники середньої потужності і потужні випрямні діоди, досягають значних величин, їх висновки набагато могутніше. Нижня частина виконана у вигляді масивного підстави, що відводить тепло, оснащеного гвинтом і зовнішньою поверхнею плоскої форми, яка покликана забезпечувати надійний тепловий контакт із зовнішнім радіатором.

Характеристики

Кожен тип напівпровідників має свої робочі та граничні параметри, які підбирають для того, щоб забезпечити роботу в будь-якій схемі. Параметри випрямних діодів:

I прям max – прямий струм, який максимально припустимо, А.

U обрат max – зворотна напруга, яке максимально допустимо, Ст.

I обрат – постійний зворотний струм, мкА.

U прям – пряме напруга постійна, Ст.

Робоча частота , кГц.

Температура роботи , С.

Р max – потужність, що розсіюється на діоді потужність, яка максимально припустима.

Характеристики випрямних діодів далеко не вичерпуються даними списком. Однак для вибору деталі зазвичай їх буває достатньо.

Схема найпростішого випрямляча змінного струму

Розглянемо, як працює схема (випрямний діод грає в ньому головну роль) примітивного випрямляча. На його вхід подається перемінну напругу з позитивними і негативними напівперіодами. До виходу випрямляча підключається навантаження (R нагр.), а функцію елемента, випрямляючого струм, виконує діод (VD). Позитивні напівперіоди напруги, що надходять на анод, викликають відкривання діода. В цей час через нього, а отже через навантаження (R нагр.), яка живиться від випрямляча, протікає прямий струм (I прям.). Негативні напівперіоди напруги, що надходять на анод діода, викликають його закривання. По ланцюгу протікає невеликий зворотний струм діода (I обр.). Тут діод виробляє відсікання негативною напівхвилі змінного струму. У результаті виходить, що через підключену до мережі навантаження (R нагр.), через діод (VD), тепер проходить пульсуючий, а не змінний струм одного напрямку. Адже він може проходити виключно в позитивні напівперіоди. В цьому і полягає сенс випрямлення змінного струму. Однак така напруга може живити тільки навантаження малої потужності, яка живиться від мережі змінного струму і не пред'являє серйозних вимог до харчування, наприклад, лампи розжарювання. Лампа буде пропускати напруга лише при проходженні позитивних імпульсів, внаслідок цього електроприлад підлягає слабкому мерехтінню, що має частоту 50 Гц. Правда, внаслідок того, що нитка схильна теплової інертності, вона не зможе до кінця остигати в перервах між імпульсами, а значить, мерехтіння буде майже не помітно. У разі якщо така напруга подати на підсилювач або приймач потужності, то в гучномовці буде чути звук низької частоти (частотою 50 Гц), який називається фоном змінного струму. Цей ефект відбувається через те, що пульсуючий струм під час проходження через навантаження наводить у ній пульсуюча напруга, що породжує фон. Подібний недолік певною мірою усувається, якщо паралельно навантаженні включити фільтруючий конденсатор (C фільтр), ємність якого досить велика. Конденсатор буде заряджатися імпульсами струму при позитивних полупериодах, і розряджатися через навантаження (R нагр.) при негативних полупериодах. При достатньої ємності конденсатора за час, який проходить між двома імпульсами струму, він не встигне повністю розрядитися, а отже, на навантаженні (R нагр.) буде постійно перебувати струм. Але навіть таким, щодо згладженим, струмом також не слід живити навантаження, адже вона буде продовжувати фонити, тому що величина пульсацій (U пульс.) поки ще досить серйозна.

Недоліки

У випрямлячі, роботу якого ми тільки що розібрали, з користю застосовується лише половина хвиль змінного струму, внаслідок цього на ньому відбувається втрата більш ніж половини вхідної напруги. Такий вид випрямлення змінного струму отримав назву однопівперіодного, а випрямлячі, які використовують цей вид випрямлення, називаються однополупериодними. Недоліки однополупериодних випрямлячів успішно усунені в випрямлячах, використовують діодний міст.

Діодний міст

Діодний міст – це компактна схема, яка складена з чотирьох діодів, і служить для перетворення змінного струму в постійний. Мостова схема дає можливість пропускати струм в кожному полупериоде, що вигідно відрізняє її від однополупериодной. Діодні мости виробляються у формі збірок невеликого розміру, які укладені в корпус з пластмаси. На виході корпусу такої збірки є чотири виведення з позначками «+», « — » або « ~ », що вказують на призначення контактів. Однак діодні мости зустрічаються і не в збірці, нерідко вони збираються прямо на друкованій платі шляхом включення чотирьох діодів. Випрямляч, який виконується на діодному мосту, називається двухполуперіодним.