- Funkcje urządzenia i konstrukcji
- Klasyfikacja mocy
- Lista głównych cech
- Zasada działania
- Urządzenie i zasada działania mostka diodowego
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Głównym celem diod prostowniczych jest konwersja napięcia. Ale to nie jedyna dziedzina zastosowania tych elementów półprzewodnikowych. Są one instalowane w obwodach przełączających i sterujących, stosowanych w generatorach kaskadowych itp. Początkujący będą zainteresowani tym, jak ułożyć te elementy półprzewodnikowe, a także zasadą ich działania. Zacznijmy od ogólnych cech.
Funkcje urządzenia i konstrukcji
Głównym elementem konstrukcyjnym jest półprzewodnik. Jest to krzemowa lub germanowa płytka krystaliczna, która ma dwa obszary przewodzenia p i n. Ze względu na tę cechę konstrukcyjną nazywa się ją planarną.
Przy wytwarzaniu półprzewodnika kryształ jest przetwarzany w następujący sposób: w celu uzyskania powierzchni typu p poddaje się go obróbce stopionym fosforem, a typ p traktuje się borem, indem lub aluminium. Podczas procesu obróbki cieplnej materiały te i kryształ rozpraszają się. Wynikiem jest region ze złączem pn między dwiema powierzchniami o różnych przewodnościach elektrycznych. Tak uzyskany półprzewodnik jest zainstalowany w obudowie. Zapewnia to ochronę kryształu przed czynnikami zewnętrznymi i przyczynia się do radiatora.
Legenda:
- A - katoda wyjściowa.
- Uchwyt B-crystal (przyspawany do korpusu).
- C jest kryształem typu n.
- D jest kryształem typu p.
- E - przewód prowadzący do wyjścia anody.
- F - izolator.
- G - ciało.
- H - pin anodowy.
Jak już wspomniano, kryształy krzemu lub germanu są używane jako podstawa złącza pn. Pierwsze są używane znacznie częściej, co wynika z faktu, że w pierwiastkach germanu wartość prądów zwrotnych jest znacznie wyższa, co znacznie ogranicza dopuszczalne napięcie zwrotne (nie przekracza 400 V). W półprzewodnikach krzemowych ta charakterystyka może osiągnąć nawet 1500 V.
Ponadto, dla pierwiastków germanu, zakres temperatury pracy jest znacznie węższy, waha się od -60 ° C do 85 ° C. Jeśli górny próg temperatury zostanie przekroczony, prąd zwrotny gwałtownie wzrasta, co negatywnie wpływa na wydajność urządzenia. Półprzewodniki krzemowe mają górny próg około 125 ° C - 150 ° C.
Klasyfikacja mocy
Moc elementów jest określona przez maksymalny dozwolony prąd stały. Zgodnie z tą cechą przyjęto następującą klasyfikację:
- Niskoprądowe diody prostownicze są stosowane w obwodach o prądzie nie większym niż 0, 3 A. Obudowa takich urządzeń z reguły jest wykonana z tworzywa sztucznego. Ich charakterystyczne cechy to niewielka waga i małe wymiary.
Diody prostownicze małej mocy - Urządzenia zaprojektowane dla średniej mocy mogą pracować z prądem w zakresie 0, 3-10 A. Takie elementy są w większości wykonane z metalowej obudowy i wyposażone w sztywne przewody. Na jednym z nich, a mianowicie na katodzie, znajduje się nitka, która pozwala bezpiecznie zamocować diodę na grzejniku używanym do rozpraszania ciepła.
Dioda prostownicza średniej mocy - Moc elementów półprzewodnikowych, są one przeznaczone do prądu stałego powyżej 10 A. Takie urządzenia są produkowane w obudowach typu metal-ceramicznego lub metalowo-szklanego typu pin (A na rys. 4) lub typu tabletu (B).
Rys. 4. Diody prostownicze dużej mocy
Lista głównych cech
Poniżej znajduje się tabela opisująca podstawowe parametry diod prostowniczych. Te cechy można uzyskać z arkusza danych (opis techniczny elementu). Z reguły większość radioamatorów odnosi się do tych informacji w przypadkach, gdy element wskazany w schemacie nie jest dostępny, co wymaga znalezienia odpowiedniego analogu dla niego.
Zauważ, że w większości przypadków, jeśli konieczne jest znalezienie analogu konkretnej diody, pierwszych pięć parametrów z tabeli będzie całkiem wystarczające. Pożądane jest uwzględnienie zakresu temperatury roboczej elementu i częstotliwości.
Zasada działania
Przykładem jest najprostszy sposób wyjaśnienia zasady działania diod prostowniczych. W tym celu symulujemy prosty układ prostownika półfalowego (patrz 1 na rys. 6), w którym moc jest zasilana ze źródła prądu przemiennego o napięciu U IN (wykres 2) i przechodzi przez VD do obciążenia R.
Podczas dodatniego półcyklu dioda jest w pozycji otwartej i przepuszcza prąd do samego obciążenia. Gdy następuje przełom ujemnej połowy cyklu, urządzenie jest zablokowane, a obciążenie nie jest zasilane. Oznacza to, że ujemna połowa fali jest odcięta (w rzeczywistości nie jest to do końca prawdą, ponieważ w tym procesie zawsze występuje prąd zwrotny, jego wartość jest określona przez charakterystykę arr ).
W rezultacie, jak widać na wykresie (3), na wyjściu otrzymujemy impulsy składające się z dodatnich półokresów, to znaczy prądu stałego. Jest to zasada działania elementów półprzewodnikowych prostownika.
Należy pamiętać, że napięcie impulsowe na wyjściu takiego prostownika jest odpowiednie tylko do zasilania niskiego poziomu hałasu, przykładem jest ładowarka do latarki z akumulatorem kwasowym. W praktyce taki system jest stosowany z wyjątkiem chińskich producentów, aby zmaksymalizować koszty ich produktów. W rzeczywistości prostota projektu jest jego jedynym biegunem.
Do wad prostownika jednodiodowego należą:
- Niski poziom wydajności, ponieważ ujemne półokresy są odcięte, wydajność urządzenia nie przekracza 50%.
- Napięcie na wyjściu jest o połowę mniejsze niż na wejściu.
- Wysoki poziom hałasu, który przejawia się w charakterystycznym szumie z częstotliwością zasilania sieciowego. Jego przyczyną jest asymetryczne rozmagnesowanie transformatora obniżającego napięcie (właśnie dlatego lepiej jest zastosować kondensator hartujący dla takich obwodów, który ma również swoje ujemne strony).
Należy zauważyć, że te wady można nieco zmniejszyć, ponieważ wystarczy wykonać prosty filtr oparty na elektrolicie o dużej pojemności (1 na Rys. 7).
Zasada działania tego filtra jest dość prosta. Elektrolit jest ładowany podczas dodatniego okresu półtrwania i rozładowuje się, gdy obrót jest ujemny. Pojemność w tym przypadku powinna być wystarczająca do utrzymania napięcia na obciążeniu. W tym przypadku impulsy zostaną nieco wygładzone, w przybliżeniu jak pokazano na wykresie (2).
Powyższe rozwiązanie nieco poprawi sytuację, ale nie za dużo, jeśli zasilane z prostownika półfalowego, na przykład aktywnych głośników komputera, będą miały charakterystyczne tło. Aby rozwiązać ten problem, potrzebne jest bardziej radykalne rozwiązanie, a mianowicie mostek diodowy. Rozważ zasadę działania tego systemu.
Urządzenie i zasada działania mostka diodowego
Zasadnicza różnica między takim schematem (od półfali) polega na tym, że napięcie przyłożone do obciążenia jest stosowane do każdego półokresu. Obwód do włączania elementów prostownika półprzewodnikowego pokazano poniżej.
Jak widać z rysunku, w obwód zaangażowane są cztery półprzewodnikowe elementy prostownicze, które są połączone w taki sposób, że tylko dwa z nich działają w każdym półokresie. Napiszmy szczegółowo, jak to się dzieje:
- Napięcie przemienne Uin (2 na Rys. 8) dociera do obwodu. Podczas dodatniej połowy cyklu powstaje następujący łańcuch: VD4 - R - VD2. W związku z tym VD1 i VD3 są w pozycji zablokowanej.
- Gdy nadchodzi sekwencja ujemnego półcyklu, ze względu na zmianę polaryzacji, powstaje łańcuch: VD1 - R - VD3. W tym czasie VD4 i VD2 są zablokowane.
- W następnym okresie cykl się powtarza.
Jak widać z wyniku (wykres 3), oba półokresy są zaangażowane w proces i bez względu na to, jak zmienia się napięcie wejściowe, przechodzi ono w jednym kierunku przez obciążenie. Ta zasada działania prostownika nosi nazwę pełnej fali. Jego zalety są oczywiste, wymieniamy je:
- Ponieważ oba półokresy są zaangażowane w prace, wydajność jest znacznie zwiększona (prawie dwukrotnie).
- Tętnienie na wyjściu obwodu mostkowego podwaja również częstotliwość (w porównaniu z rozwiązaniem półfalowym).
- Jak widać z wykresu (3), poziom spadków zmniejsza się odpowiednio między impulsami, co znacznie ułatwi filtrowi ich wygładzanie.
- Wielkość napięcia na wyjściu prostownika jest w przybliżeniu taka sama jak na wejściu.
Zakłócenia z obwodu mostkowego są pomijalne i stają się jeszcze mniejsze przy użyciu pojemności filtra elektrolitycznego. Z tego powodu takie rozwiązanie może być stosowane w zasilaczach praktycznie dla wszelkich amatorskich struktur radiowych, w tym tych, które wykorzystują wrażliwą elektronikę.
Należy zauważyć, że nie jest konieczne użycie czterech elementów półprzewodnikowych prostujących, wystarczy zabrać gotowy zespół do plastikowej obudowy.
Ten przypadek ma cztery wyjścia, dwa na wejściu i takie same na wyjściu. Nogi, do których podłączone jest napięcie przemienne, są oznaczone literami „~” lub „AC”. Na wyjściu noga dodatnia jest oznaczona odpowiednio symbolem „+”, ujemna jako „-”.
Na schemacie taki zestaw jest zwykle oznaczany jako romb z graficznym wyświetleniem diody znajdującej się wewnątrz.
Nie można jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, czy lepiej jest użyć zespołu lub poszczególnych diod. Pod względem funkcjonalności nie ma między nimi różnicy. Ale montaż jest bardziej kompaktowy. Z drugiej strony, jeśli się nie powiedzie, tylko kompletna wymiana pomoże. Jeśli w tym przypadku używane są oddzielne elementy, wystarczy wymienić uszkodzoną diodę prostownika.