Випрямний діод - це діод на основі напівпровідникового матеріалу, який призначений для того, щоб перетворювати змінний струм в постійний. Правда, цією функцією сфера застосування цих радіодеталей не вичерпується: вони застосовуються для комутації, в потужнострумових схемах, де немає жорсткої регламентації тимчасових 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:
- малої - випрямляють прямий струм до 300 mA;
- випрямні діоди середньої потужності - від 300 mA до 10 А;
- великий - більше 10 А.
Германій або кремній
По застосовуваних матеріалах вони бувають кремнієві і германієві, однак більш широке застосування знайшли кремнієві випрямні діоди завдяки своїм фізичним властивостям.
У них зворотні струми в кілька разів менше, ніж в германієвих, в той час як напруга однакова. Це дає можливість домагатися в напівпровідниках дуже високою величини допустимих зворотних напруг, які можуть становити до 1000-1500 В. В германієвих діодах цей параметр знаходиться в діапазоні 100-400 В.
Кремнієві діоди здатні зберігати працездатність в діапазоні температур від -60 ordm-С до +150 ordm-С, а германієві - тільки від -60 ordm-С до +85 ordm-С. Це відбувається тому, що коли температура стає вище 85 ordm-С, кількість які утворилися електронно-доручених пар досягає таких величин, що різко збільшується зворотний струм, і випрямляч перестає працювати ефективно.
технологія виготовлення
Випрямний діод по конструкції представляє пластину напівпровідникового кристала, в тілі якої є дві області, які мають різну провідність. Це послужило причиною того, що їх називають площинними.
Напівпровідникові випрямні діоди робляться так: на області кристала напівпровідника, що має провідність n-типу, відбувається розплавлення алюмінію, індію 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 в ньому області з переважно електронною або доречнийпровідністю. 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 з кремнію і германію.
конструкція
Для того щоб організувати захист від впливів ззовні, а також домогтися надійного відведення тепла, кристал, що має p-n-перехід, монтується в корпусі.
Діоди, мають малу потужність, виробляють в корпусі з пластмаси, забезпечивши гнучкими зовнішніми висновками. Випрямні діоди середньої потужності мають металоскляний корпус вже з жорсткими зовнішніми висновками. Деталі великої потужності розміщуються в корпусі з металлостекла або металокераміки.
Кремнієві або германієві кристали з p-n-переходом припаюють до крісталлодержателю, який одночасно служить підставою корпусу. До нього ж приварюють корпус, який має скляний ізолятор, крізь який йде висновок одного з електродів.
Діоди малої потужності, які мають порівняно малі габарити і вага, 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 їх частина виконана у вигляді масивного підстави, відвідного 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-якої схемою.
Параметри випрямних діодів:
- I прям max - прямий струм, який максимально допустимий, А.
- U обрат max - зворотна напруга, яке максимально допустиме, В.
- I обрат - зворотний струм постійний, мкА.
- U прям - пряме напруга постійна, В.
- робоча частота, кГц.
- температура роботи, С.
- Р max - розсіюється на діоді потужність, яка максимально допустима.
Характеристики випрямних діодів далеко не вичерпуються даними списком. Однак для вибору деталі зазвичай їх буває досить.
Схема найпростішого випрямляча змінного струму
Розглянемо, як працює схема (випрямний діод грає в ній головну роль) примітивного випрямляча.
На його вхід подається мережеве змінну напругу з позитивними і негативними напівперіодами. До виходу випрямляча підключається навантаження (R нагр.), А функцію елемента, що випрямляє струм, виконує діод (VD).
Позитивні напівперіоди напруги, що надходять на анод, викликають відкривання діода. У 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 невеличкий зворотний струм діода (I обр.). Тут діод виробляє відсікання негативної напівхвилі змінного струму.
В результаті виходить, що через підключену до мережі навантаження (R нагр.), Через діод (VD), тепер проходить пульсуючий, а не змінний струм одного напрямку. Адже він має відбуватись виключно в позитивні напівперіоди. В цьому і полягає сенс випрямлення змінного струму.
Однак таке 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 піддається слабкій мерехтінню, має частоту 50 Гц. Правда, внаслідок того, що нитка схильна до теплової інертності, вона не зможе до кінця остигати в перервах між імпульсами, а значить, мерехтіння буде майже не помітно.
У разі якщо таке 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 в ній пульсує напруга, що породжує фон.
Подібний недолік в якійсь мірі усувається, якщо паралельно навантаженні включити конденсатор (C фільтр), ємність якого досить велика.
Конденсатор заряджатиметься імпульсами струму при позитивних напівперіодах, і розряджатися через навантаження (R нагр.) При негативних напівперіодах. при достатній 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 фонить, 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 однополупериодного, а випрямлячі, які використовують цей вид випрямлення, називаються однополуперіодним. Недоліки однополуперіодних випрямлячів успішно усунені в випрямлячах, що використовують діодний міст.
Діодний міст
Діодний міст - це компактна схема, яка складена з чотирьох діодів, і має на меті перетворення змінного струму в постійний. Мостова схема дає можливість пропускати струм в кожному напівперіод, що вигідно відрізняє її від однополупериодной. Діодні мости виробляються в формі збірок невеликого розміру, які укладені в корпус з пластмаси.
На виході корпусу такої збірки є чотири виведення з позначеннями «+», «-»Або«~», Що вказують на призначення контактів. Однак діодні мости зустрічаються і не в збірці, нерідко вони збираються прямо на друкованої плати шляхом включення чотирьох діодів. Випрямляч, який виконується на діодному мосту, називається двухполуперіодним.
