Egyenirányító dióda: paraméterek és áramkör. Egyenirányító dióda - leírás, paraméterek és jellemzők Egyenirányítók jelölése
Az egyenirányító dióda egy elektronikus eszköz, amely a váltakozó áramot egyenárammá alakítja. Ez egy kételektródos eszköz, amelynek csak egyoldali (unipoláris) elektromos vezetőképessége van. Az ignitron és a vákuumdióda helyére egy félvezető anyagokból készült egyenirányító dióda és az ún.
A váltóáram egyenirányító és egyenárammá alakításának hatása a félvezető-fém, fém-félvezető átmenetnél, vagy egyes kristályokban (például szilícium, germánium, szelén, réz-oxid) az úgynevezett elektron-lyuk átmenetben jelentkezik. . Az ilyen kristályok gyakran szolgálnak az eszköz alapjául.
A félvezető egyenirányító diódákat rádiótechnikában, elektronikai és elektromos berendezésekben használják. Az egyenirányítás lényegében a váltakozó áram (feszültség) átalakítása egy polaritású (pulzáló közvetlen) árammá. Ez a fajta egyenirányítás a technológiában szükséges elektromos áramkörök nyitásához és zárásához, elektromos jelek és impulzusok kapcsolásához és észleléséhez, valamint sok más hasonló átalakításhoz. A dióda olyan jellemzői, mint a sebesség, a paraméterek stabilitása, a p-n átmenetek kapacitása, nem igényelnek különleges követelményeket.
Egy ilyen eszköz bizonyos elektromos paraméterekkel és dióda jellemzőkkel rendelkezik:
Előremenő feszültség meghatározott áramértéken (felvett ;
Fordított áram a fordított feszültség és hőmérséklet adott értékénél;
A maximális fordított feszültség amplitúdójának megengedett értékei;
Az előremenő áram átlagos értéke;
Frekvencia érték üzemmódcsökkentés nélkül;
Ellenállás.
Az egyenirányító diódát gyakran egyszerűen egyenirányítónak rövidítik. Az elektromos áramkör alkotóelemeként nagy ellenállást biztosít az egyik irányban folyó árammal szemben, és alacsony ellenállást az ellenkező irányú árammal szemben. Ez okozza
Egy olyan eszköznek, mint például az egyenirányító dióda, meglehetősen alacsony működési frekvenciája van egy ilyen eszköz ipari felhasználásához, amikor a váltakozó áramot egyenárammá alakítják 50 Hz. A határfrekvencia legfeljebb 20 kHz.
Az egyenirányító dióda, mint elektronikus eszköz a maximális átlagos előremenő áram értéke szerint több csoportra osztható. Ezek kis teljesítményű diódák (legfeljebb 0,3 amper), közepes teljesítményű diódák (0,3 A-tól 10 A-ig) és nagy teljesítményű (teljesítményű) egyenirányító diódák (több mint tíz amper).
Az ilyen elektronikus eszköz, mint egyenirányító dióda fő paraméterei közé tartozik a környezeti hőmérséklet működési tartománya (általában -50 és +130 Celsius fok között van a leggyakoribb diódatípus - szilícium esetén) és a ház maximális hőmérséklete ( sokféle paraméter, többek között a teljesítménytől, a céltól és a gyártótól függően).
Félvezető dióda — Ez egy félvezető eszköz egy p-n átmenettel és két elektródával. A félvezető dióda működési elve a p-n átmenet jelenségén alapul, így bármely félvezető eszköz további tanulmányozásához tudnia kell, hogyan működik.
Egyenirányító dióda (szelepnek is nevezik) egy olyan félvezető dióda, amelyet a váltakozó áram egyenárammá alakítására használnak.
A diódának két kivezetése (elektródája), anódja és katódja van. Az anód a p réteghez, a katód az n réteghez csatlakozik. Ha pluszt adunk az anódra és mínuszt az anódra (a dióda közvetlen csatlakoztatása), a dióda átengedi az áramot. Ha az anódra mínusz, a katódra pedig egy plusz kerül (a dióda fordított kapcsolása), akkor a diódán keresztül nem lesz áram, ez látszik a dióda volt-amper karakterisztikájából. Ezért amikor az egyenirányító dióda bemenetére váltakozó feszültséget vezetünk, csak egy félhullám halad át rajta.
A dióda áram-feszültség karakterisztikája (volt-amper karakterisztikája).
A dióda áram-feszültség karakterisztikája az ábrán látható. I. 2. Az első kvadráns a karakterisztika direkt ágát mutatja, amely a dióda nagy vezetőképességű állapotát írja le a rákapcsolt előremenő feszültséggel, amelyet darabonkénti lineáris függvénnyel linearizálunk.
u = U 0 +RD i
ahol: u a szelep feszültsége, amikor az i áram áthalad; U 0 - küszöbfeszültség; R d - dinamikus ellenállás.
A harmadik kvadránsban van az áram-feszültség karakterisztika fordított ága, amely leírja az alacsony vezetőképesség állapotát, amikor a diódára fordított feszültséget kapcsolunk. Alacsony vezetőképességű állapotban gyakorlatilag nem folyik áram a félvezető szerkezeten. Ez azonban csak egy bizonyos fordított feszültségértékig igaz. Fordított feszültség esetén, amikor az elektromos térerősség a pn átmenetben eléri a 10 s V/cm körüli értéket, ez a tér átadhatja a mozgó töltéshordozókat - elektronokat és lyukakat, amelyek folyamatosan megjelennek a félvezető szerkezet teljes térfogatában a hőtermelés eredményeként. - a semleges szilícium atomok ionizációjához elegendő mozgási energia. A keletkező lyukakat és vezetési elektronokat viszont a pn átmenet elektromos tere felgyorsítja, és a semleges szilícium atomokat is ionizálja. Ilyenkor a fordított áram lavinaszerű növekedése következik be, pl. e. lavinatörés.
Az a feszültség, amelynél a fordított áram éles növekedése következik be U 3 áttörési feszültségnek nevezzük.
Egyenirányító diódák vezérlő áramkörökben, kapcsolóáramkörökben, korlátozó és szétcsatoló áramkörökben, váltakozó feszültség egyenfeszültséggé alakítására (egyenirányító) tápegységekben, feszültségszorzó áramkörökben és egyenfeszültségű átalakítókban használják, ahol nem támasztanak magas követelményeket a frekvencia- és időparaméterekkel szemben. jeleket. A maximális egyenirányított áram értékétől függően vannak kis teljesítményű egyenirányító diódák(\(I_(pr max) \le (0,3 A)\)), közepes teljesítmény(\((0,3 A)< I_{пр max} \le {10 А}\)) и nagy teljesítményű(\(I_(pr max) > (10 A)\)). A kis teljesítményű diódák házuk által elvezethetik a rajtuk keletkező hőt, a közepes és nagy teljesítményű diódákat speciális hűtőbordákon kell elhelyezni, ez többek között biztosított. és testük megfelelő kialakítása.
A \(p\)-\(n\) átmeneten áthaladó megengedett áramsűrűség általában nem haladja meg a 2 A/mm2 értéket, ezért az egyenirányító diódák átlagos egyenirányított áramának fenti értékeinek eléréséhez síkbeli \( p\)-\ (n\)-átmenetek. Az ilyen csomópontok jelentős kapacitással rendelkeznek, ami korlátozza az egyenirányító diódák maximális megengedett működési frekvenciáját (\(f_р\)).
A diódák egyenirányító tulajdonságai jobbak, minél kisebb a fordított áram egy adott visszirányú feszültség mellett, és annál kisebb a feszültségesés adott előremenő áram mellett. Az előremenő és a visszirányú áramok értéke több nagyságrenddel különbözik, és az előremenő feszültségesés nem haladja meg a néhány voltot a fordított feszültséghez képest, amely több száz volt vagy több is lehet. Ezért a diódák egyirányú vezetőképességgel rendelkeznek, ami lehetővé teszi, hogy egyenirányító elemként használják őket. A germánium és a szilícium diódák áram-feszültség karakterisztikája (CV) eltérő. ábrán. Összehasonlításképpen a 2.3-1. ábra a germánium és szilícium egyenirányító diódák tipikus áram-feszültség karakterisztikáját mutatja különböző környezeti hőmérsékleteken.
Rizs. 2,3-1. Egyenirányító diódák áram-feszültség jellemzői különböző környezeti hőmérsékleteken
A megadott áram-feszültség karakterisztika alapján jól látható, hogy a szilíciumdiódák fordított árama lényegesen kisebb, mint a germánium diódák fordított árama. Ráadásul a szilíciumdiódák áram-feszültség karakterisztikájának fordított ága nem rendelkezik egyértelműen meghatározott telítési tartománysal, ami a \(p\)-\(n\) átmenetben töltéshordozók keletkezésének és a szivárgó áramoknak köszönhető. a kristály felszíne mentén. Ha egy bizonyos küszöbértéket meghaladó fordított feszültséget alkalmaznak, a fordított áram éles növekedése következik be, ami a \(p\)-\(n\) átmenet meghibásodásához vezethet. A germánium diódákban a nagy ellenáram miatt a meghibásodás termikus jellegű. A szilíciumdiódák termikus lebomlási valószínűsége kicsi, bennük az elektromos meghibásodás dominál. A szilíciumdiódák letörése lavina jellegű, ezért a germánium diódákkal ellentétben a letörési feszültség a hőmérséklet emelkedésével nő. A szilíciumdiódák megengedett fordított feszültsége (1600 V-ig) jelentősen meghaladja a germánium diódákét.
A fordított áramok nagymértékben függenek a csomópont hőmérsékletétől. Az ábra azt mutatja, hogy a hőmérséklet növekedésével a fordított áram növekszik. Hozzávetőleges becsléshez feltételezhetjük, hogy a hőmérséklet 10 °C-os emelésével a germánium diódák fordított árama 2-szeresére, a szilíciumdiódáé pedig 2,5-szeresére nő. Az üzemi hőmérséklet-tartomány felső határa germánium diódáknál 75...80 °C, szilíciumdiódáknál - 125 °C. A germánium diódák jelentős hátránya a rövid távú impulzus túlterhelésekre való nagy érzékenységük.
A szilíciumdióda alacsonyabb fordított árama miatt a germánium dióda áramával megegyező előremenő árama nagyobb előremenő feszültségen érhető el. Ezért a germánium-diódákban azonos áramerősségeken a disszipált teljesítmény kisebb, mint a szilíciumdiódákban. Az előremenő feszültség alacsony előremenő áramoknál, amikor a feszültségesés a csomóponton túlsúlyban van, a hőmérséklet emelkedésével csökken. Nagy áramoknál, amikor a félvezető semleges tartományainak ellenállásán a feszültségesés dominál, az előremenő feszültség hőmérséklettől való függése pozitív lesz. Azt a pontot, ahol az előremenő feszültségnek nincs hőmérsékletfüggősége (azaz ez a függés előjelet vált), az ún. inverziós pont. A legtöbb kis- és közepes teljesítményű dióda esetében a megengedett előremenő áram általában nem haladja meg az inverziós pontot, és a nagy teljesítményű diódák esetében a megengedett áram magasabb lehet ennél a pontnál.
Bár minden dióda egyenirányító, ezt a kifejezést általában az áramellátásra szánt eszközökre használják, hogy megkülönböztessék őket a kis jeláramkörökhöz használt elemektől. A nagy teljesítményű egyenirányító dióda az AC áram egyenirányítására szolgál alacsony, 50 Hz-es tápfrekvenciával, amikor terhelés közben nagy teljesítményt bocsátanak ki.
A dióda jellemzői
A dióda fő feladata az váltakozó feszültség átalakítása egyenfeszültséggé egyenirányító hidakban való felhasználás révén. Ez lehetővé teszi, hogy az elektromos áram csak egy irányba áramoljon, és az áramellátás folyamatosan működjön.
Az egyenirányító dióda működési elvét nem nehéz megérteni. Eleme egy pn átmenetnek nevezett szerkezetből áll. A p-típusú oldalt anódnak, az n-típusú oldalt katódnak nevezzük. Az áram az anódról a katódra kerül, míg az ellenkező irányú áramlás szinte teljesen meg van akadályozva. Ezt a jelenséget egyenesedésnek nevezik. A váltakozó áramot egyirányú árammá alakítja. Az ilyen típusú eszközök nagyobb áramot képesek kezelni, mint a hagyományos diódák, ezért nevezik őket nagy teljesítménynek. A fő jellemzőik közé a nagy mennyiségű áram vezetésének képessége sorolható.
Ma Leggyakrabban szilíciumdiódákat használnak. A germániumból készült elemekhez képest nagyobb csatlakozási felülettel rendelkeznek. Mivel a germánium alacsony hőállósággal rendelkezik, a legtöbb félvezető szilíciumból készül. A germániumból készült készülékeknél lényegesen alacsonyabb a megengedett fordított feszültség és a csatlakozási hőmérséklet. A germánium diódák egyetlen előnye a szilíciummal szemben az alacsonyabb feszültségérték, ha előrefeszítéssel működik (VF (IO) = 0,3 ÷ 0,5 V germánium és 0,7 ÷ 1,4 V szilícium esetén).
Az egyenirányítók típusai és műszaki paraméterei
Manapság sokféle hajvasaló létezik. Általában a következők szerint osztályozzák őket:
A leggyakoribb típusok az 1 A, 1,5 A, 3 A, 5 A és 6 A. Vannak olyan szabványos eszközök is, amelyek maximális átlagos egyenirányított árama legfeljebb 400 A. Az előremenő feszültség 1,1 mV és 1,3 kV között változhat.
a következő megengedett határértékekkel jellemezhető:
A nagy teljesítményű elemre példa a 2x30A-es kettős nagyáramú egyenirányító dióda, amely a legalkalmasabb bázisállomásokhoz, hegesztőgépekhez, AC/DC tápegységekhez és ipari alkalmazásokhoz.
Alkalmazás értéke
A legegyszerűbb félvezető alkatrészként az ilyen típusú diódák széles körben alkalmazhatók a modern elektronikai rendszerekben. Különféle elektronikus és elektromos áramkörök ezt az alkatrészt fontos eszközként használják a kívánt eredmény eléréséhez. Az egyenirányító hidak és diódák alkalmazási köre kiterjedt. Íme néhány ilyen példa:
- a váltakozó áram egyenfeszültséggé alakítása;
- a jelek leválasztása a tápegységről;
- feszültség referencia;
- jelméret szabályozás;
- keverő jelek;
- érzékelő jelek;
- Világítási rendszerek;
- lézerek.
Az egyenirányító diódák a tápegységek létfontosságú elemei. Számítógépek és autók teljesítményének szabályozására szolgálnak, valamint akkumulátortöltőkben és számítógépes tápegységekben is használhatók.
Ezenkívül gyakran más célokra is használják (például rádiómodulációs rádióvevők detektoraiban). A Schottky sorompódióda változat különösen nagyra értékelt a digitális elektronikában. A -40 és +175 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartomány lehetővé teszi ezeknek az eszközöknek a használatát bármilyen körülmények között.
Az egyenirányító diódák fő célja a feszültségátalakítás. De nem ez az egyetlen alkalmazási terület ezeknek a félvezető elemeknek. Kapcsoló- és vezérlőáramkörökbe vannak beépítve, kaszkádgenerátorokban stb. A kezdő rádióamatőrök érdeklődni fognak ezeknek a félvezető elemeknek a felépítéséről és működési elvükről. Kezdjük az általános jellemzőkkel.
Eszköz és tervezési jellemzők
A fő szerkezeti elem egy félvezető. Ez egy szilícium vagy germánium kristály ostya, amelynek két p és n vezetőképességű régiója van. Emiatt a tervezési jellemző miatt síkbelinek nevezik.
A félvezető gyártása során a kristályt a következőképpen dolgozzák fel: p-típusú felület eléréséhez olvadt foszforral, p-típusú felület esetén bórral, indiummal vagy alumíniummal kezelik. A hőkezelés során ezen anyagok és a kristály diffúziója következik be. Ennek eredményeként két eltérő elektromos vezetőképességű felület között p-n átmenettel rendelkező tartomány jön létre. Az így kapott félvezető a házba kerül beépítésre. Ez megvédi a kristályt a külső hatásoktól és elősegíti a hőelvezetést.
Megnevezések:
- A – katód kimenet.
- B – kristálytartó (testhez hegesztett).
- C – n-típusú kristály.
- D – p-típusú kristály.
- E – az anódkapocshoz vezető vezeték.
- F – szigetelő.
- G – test.
- H – anód kimenet.
Mint már említettük, a p-n átmenet alapjául szilícium vagy germánium kristályok szolgálnak. Az előbbieket sokkal gyakrabban használják, ez annak a ténynek köszönhető, hogy a germánium elemekben a fordított áramok sokkal nagyobbak, ami jelentősen korlátozza a megengedett fordított feszültséget (nem haladja meg a 400 V-ot). Míg a szilícium félvezetőknél ez a jellemző elérheti az 1500 V-ot is.
Ráadásul a germánium elemek jóval szűkebb üzemi hőmérsékleti tartományúak, ez -60°C és 85°C között változik. A felső hőmérsékleti küszöb túllépése esetén a fordított áram élesen megnő, ami negatívan befolyásolja az eszköz hatékonyságát. A szilícium félvezetők esetében a felső küszöb körülbelül 125°C-150°C.
Teljesítmény osztályozás
Az elemek teljesítményét a megengedett legnagyobb egyenáram határozza meg. Ennek a jellemzőnek megfelelően a következő osztályozást fogadták el:
A főbb jellemzők listája
Az alábbiakban egy táblázat található, amely leírja az egyenirányító diódák fő paramétereit. Ezek a jellemzők az adatlapon (az elem műszaki leírása) érhetők el. A legtöbb rádióamatőr általában akkor fordul ehhez az információhoz, ha a diagramon feltüntetett elem nem érhető el, amihez megfelelő analógot kell találni.
Vegye figyelembe, hogy a legtöbb esetben, ha meg kell találnia egy adott dióda analógját, a táblázat első öt paramétere elegendő lesz. Ebben az esetben célszerű figyelembe venni az elem üzemi hőmérsékleti tartományát és frekvenciáját.
Működés elve
Az egyenirányító diódák működési elvét legegyszerűbben egy példával lehet elmagyarázni. Ehhez szimuláljuk egy egyszerű félhullámú egyenirányító áramkörét (lásd a 6. ábrán az 1-et), amelyben a teljesítmény U IN feszültségű váltakozó áramforrásból származik (2. grafikon), és VD-n keresztül jut el az R terheléshez.
Rizs. 6. Egydiódás egyenirányító működési elve A pozitív félperiódus alatt a dióda nyitott helyzetben van, és átvezeti rajta az áramot a terhelés felé. Amikor eljön a negatív félciklus fordulata, a készülék le van zárva, és a terhelés nem kap áramot. Vagyis van egyfajta levágás a negatív félhullámból (sőt, ez nem teljesen igaz, hiszen e folyamat során mindig van fordított áram, ennek értékét az I arr. karakterisztika határozza meg).
Ennek eredményeként a (3) grafikonon látható, hogy a kimeneten pozitív félciklusokból álló impulzusokat, azaz egyenáramot kapunk. Ez az egyenirányító félvezető elemek működési elve.
Vegye figyelembe, hogy az ilyen egyenirányító kimenetén lévő impulzusfeszültség csak alacsony zajszintű terhelések táplálására alkalmas, például egy zseblámpa savas akkumulátorának töltője. A gyakorlatban ezt a sémát csak a kínai gyártók alkalmazzák, hogy a lehető legnagyobb mértékben csökkentsék termékeik költségeit. Valójában a kialakítás egyszerűsége az egyetlen pólus.
Az egydiódás egyenirányító hátrányai a következők:
- Alacsony hatékonysági szint, mivel a negatív félciklusok le vannak vágva, az eszköz hatékonysága nem haladja meg az 50% -ot.
- A kimeneti feszültség körülbelül a fele a bemeneti feszültségnek.
- Magas zajszint, amely jellegzetes zümmögés formájában nyilvánul meg az ellátó hálózat frekvenciáján. Ennek oka a lecsökkentő transzformátor aszimmetrikus lemágnesezése (sőt, ezért érdemes ilyen áramkörökhöz csillapító kondenzátort használni, aminek megvannak a negatív oldalai is).
Megjegyzendő, hogy ezek a hátrányok némileg csökkenthetők, ehhez elegendő egy egyszerű, nagy kapacitású elektrolit alapú szűrőt készíteni (1. a 7. ábrán).
Rizs. 7. Még egy egyszerű szűrő is jelentősen csökkentheti a hullámzást Az ilyen szűrő működési elve meglehetősen egyszerű. Az elektrolit feltöltődik a pozitív félciklus alatt, és kisüt, amikor a negatív félciklus bekövetkezik. A kapacitásnak elegendőnek kell lennie a feszültség fenntartásához a terhelésen. Ebben az esetben az impulzusok némileg kisimulnak, körülbelül a (2) grafikon szerint.
A fenti megoldás valamelyest javít a helyzeten, de nem sokat, ha például egy ilyen félhullámú egyenirányítóról táplálja az aktív számítógépes hangszórókat, jellegzetes háttér hallható bennük. A probléma megoldásához radikálisabb megoldásra lesz szükség, nevezetesen egy diódahídra. Nézzük meg ennek az áramkörnek a működési elvét.
Diódahíd kialakítása és működési elve
A jelentős különbség egy ilyen áramkör között (a félhullámú áramkörtől) az, hogy minden félciklusban feszültséget kap a terhelés. A félvezető egyenirányító elemek csatlakoztatásának kapcsolási rajza az alábbiakban látható.
Amint a fenti ábrán látható, az áramkörben négy félvezető egyenirányító elemet használnak, amelyek úgy vannak összekötve, hogy minden félciklus alatt csak kettő működik. Írjuk le részletesen, hogyan zajlik a folyamat:
- Az áramkör Uin váltakozó feszültséget kap (2 a 8. ábrán). A pozitív félciklus alatt a következő áramkör jön létre: VD4 – R – VD2. Ennek megfelelően a VD1 és VD3 zárolt helyzetben vannak.
- Amikor a negatív félciklus sorozata bekövetkezik, a polaritás változása miatt egy áramkör jön létre: VD1 – R – VD3. Jelenleg a VD4 és a VD2 zárolva van.
- A következő időszakban a ciklus megismétlődik.
Amint az eredményből (3. grafikon) látható, mindkét félciklus részt vesz a folyamatban, és bárhogyan is változik a bemeneti feszültség, az egy irányban áthalad a terhelésen. Ezt az egyenirányító működési elvét teljes hullámnak nevezik. Előnyei nyilvánvalóak, felsoroljuk őket:
- Mivel mindkét félciklus részt vesz a munkában, a hatásfok jelentősen (majdnem kétszeresére) nő.
- A hídáramkör kimenetén a hullámzás is megduplázza a frekvenciát (a félhullámos megoldáshoz képest).
- A (3) grafikonon látható, hogy az impulzusok között az esések szintje csökken, így a szűrő sokkal könnyebben kisimítja azokat.
- Az egyenirányító kimenetén a feszültség megközelítőleg megegyezik a bemeneti feszültséggel.
A hídáramkörből származó interferencia elhanyagolható, és még kisebb lesz, ha elektrolitikus szűrőkapacitást használunk. Ennek köszönhetően ez a megoldás szinte minden rádióamatőr kialakítás tápegységében használható, beleértve az érzékeny elektronikát használóakat is.
Vegye figyelembe, hogy egyáltalán nem szükséges négy egyenirányító félvezető elemet használni, elegendő egy kész szerelvényt műanyag tokban venni.
Ennek a toknak négy érintkezője van, kettő a bemenet és ugyanannyi a kimenet. Azok a lábak, amelyekre a váltakozó feszültség csatlakozik, „~” jellel vagy „AC” betűkkel vannak jelölve. A kimeneten a pozitív láb a „+”, a negatív láb pedig a „-” jellel van jelölve.
A sematikus diagramon egy ilyen szerelvényt általában gyémánt formájában jelölnek, benne egy dióda grafikus kijelzőjével.
Arra a kérdésre, hogy jobb-e szerelvényt vagy egyedi diódákat használni, nem lehet egyértelműen megválaszolni. Funkcionalitásban nincs különbség köztük. De az összeállítás kompaktabb. Viszont ha nem sikerül, akkor csak a teljes csere segít. Ha ebben az esetben egyedi elemeket használnak, elegendő a meghibásodott egyenirányító dióda cseréje.
