Основное предназначение выпрямительных диодов – преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.
Устройство и конструктивные особенности
Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.
При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.
Обозначения:
- А – вывод катода.
- В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
- С – кристалл n-типа.
- D – кристалл р-типа.
- E – провод ведущий к выводу анода.
- F – изолятор.
- G – корпус.
- H – вывод анода.
Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.
Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.
Классификация по мощности
Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:
Перечень основных характеристик
Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.
Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.
Принцип работы
Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением U IN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.
Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя
Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой I обр).
В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.
Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.
К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:
- Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
- Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
- Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).
Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).
Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации
Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).
Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.
Устройство и принцип работы диодного моста
Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.
Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:
- На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
- Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
- На следующий период цикл повторяется.
Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:
- Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
- Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
- Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
- Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.
Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.
Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.
Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».
На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.
На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.
Выпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов. Работавыпрямительных диодов основана на явленииодносторонней проводимости p-n перехода иони предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Для выпрямительных диодов характерно небольшое сопротивление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи. Для эффективного выпрямления выпрямительные диоды должны обеспечить наибольший выпрямленный ток и большое обратное напряжение. С целью получения большого прямого тока выпрямительные диоды выполняются с большой площадью контакта, т.е. плоскостными. Обычно допустимое обратное напряжение составляет 75…80 % пробивного напряжения. Большое допустимое обратное напряжение обеспечивается за счет большого удельного сопротивления базовой области материала полупроводника. В подавляющем большинстве случаев выпрямительные диоды работают на промышленных частотах (50 и 400 Гц), верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.
Выпрямительные диоды, в основном, изготавливаются из германия и кремния. На рисунке 1.1 показана конструкция маломощного сплавного диода и его условно-графическое обозначение, а на рисунке 1.2 приведены вольт-
Рис.1.1. Условно графическое обозначение а) и конструкция маломощного диода б).
амперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупровод-никовых выпрямительных диодов для двух температур. Из анализа этих характеристик видно, что:
Прямая ветвь вольтамперной характеристики кремниевых диодов расположена правее, чем для германиевых. Таким образом, пороговое напряжение, при котором наблюдается заметный прямой ток для кремниевого диода, выше германиевого, что несколько ухудшает выпрямительные свойства кремниевых диодов, особенно при выпрямлении напряжений с малой амплитудой;
При комнатной температуре величина обратного тока кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых диодов, из-за меньшей
концентрации неосновных носителей в кремниевом полупроводнике;
 |
Рис.1.2. Вольтамперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупроводниковых выпрямительных диодов для двух температур
Вольтамперные характеристики диодов существенно зависят от температуры. При повышении температуры растет генерация пар носителей тока, что вызывает рост собственной проводимости полупроводника, растут прямой и обратный токи, причем обратный ток растет гораздо быстрее, чем прямой ток, и диод теряет свое основное назначение – одностороннюю проводимость. Установлено, что обратный ток увеличивается у германиевых диодов в 2 раза, а у кремниевых в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 0 С;
Влияние температуры на характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из германия и кремния, различно и для них существует некоторый интервал допустимых температур. Для германиевых диодов этот интервал составляет -60…+70 0 С, а для кремниевых диодов -60…+120 0 С;
Значение напряжения пробоя кремниевых диодов выше, чем у германиевых, при этом у германиевых диодов механизм пробоя обычно является тепловым, а у кремниевых – электрическим за счет лавинного пробоя.
Для изготовления выпрямительных диодов предпочтительным является кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтительнее германиевые диоды, поскольку они имеют меньшее пороговое напряжение, чем кремниевые. В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шоттки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему пороговому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шоттки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольтных выпрямителях.
Параметры, характеризующие свойства выпрямительных диодов, подразделяются на статические и динамические . К статическим относятся:
Постоянный прямой ток I пр при заданном прямом напряжении V пр на диоде;
Значение обратного тока I обр при заданном значении обратного напряжения V обр ;
Рабочий диапазон температур 
;
Отводимая мощность 
, где Т пер
и Т кор
– температуры перехода и корпуса диода, R T
- тепловое сопротивление переход-корпус;
Максимально допустимый прямой ток диода I пр.мак , который в зависимости от диода может составлять от нескольких десятков м А до нескольких к А;
Максимально допустимое обратное напряжение V обр..мак, которое составляет для диодов из германия до 400В, а из кремния до 1000В;
Максимальная мощность рассеяния , где I – ток, протекающий через диод; V – напряжение, приложенное к диоду;
Сопротивление постоянному току в заданной рабочей точке .
К динамическим параметрам относятся:
Средний выпрямленный ток I прср - среднее за период значение прямого тока;
Среднее прямое напряжение V прср при заданном значении среднего прямого тока;
Максимальная частота f мак , на которой I прср уменьшается в раз по сравнению на низкой частоте;
Максимальная емкость диода С мак ;
Внутреннее или дифференциальное сопротивление диода в рабочей точке 
, где - приращение напряжения и - приращения тока около рабочей точки;
Коэффициент выпрямления при заданном напряжении 
.
По величине среднего выпрямленного тока выпрямительные диоды делятся на три группы:
Маломощные (на ток до 0,3А);
Средней мощности (на ток от 0,3 до 10А);
Мощные (на ток свыше 10А).
Выпрямительные диоды и их рабочие режимы необходимо выбирать таким образом, чтобы выделяемая на переходе мощность не превышала мощность рассеяния. Из вольтамперной характеристики (рис.1.2) видно, что уже при сравнительно малых прямых напряжениях (менее одного вольта) прямой ток достигает значительной величины и, чтобы не произошел тепловой пробой, необходимо ограничить значение тока так, чтобы выполнялось условие .
Тепловой пробой возможно также избежать отводом выделяемого тепла, что в диоде малой мощности осуществляется непосредственно корпусом, в диодах средней мощности – специальными устройствами – радиаторами, в которые монтируется диод, а в мощных диодах используется принудительное воздушное или водяное охлаждение.
Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. К ним относятся мостовые схемы, умножители напряжения, диодные сборки и т.д. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды, обычно кремниевые, соединены последовательно и собраны в единую конструкцию с двумя выводами.
Выпрямитель электрического тока - механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.
Диодный мост - электронная схема, предназначенная для преобразования ("выпрямления") переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.
Выделим два варианта включения мостовых схем однофазную и трехфазную.
Однофазная мостовая схема:
На вход схемы подается переменное напряжение (для простоты будем рассматривать синусоидальное), в каждый из полупериодов ток проходит через два диода, два других диода закрыты (рис.1 а, б).
В результате такого преобразования на выходе мостовой схемы получается пульсирующее напряжение вдвое большее частоты напряжения на входе (рис.2 а, б, с)
Рис. 2. а) исходное напряжение (напряжение на входе), б) однополупериодное выпрямление, с) двухполупериодное выпрямление
Трехфазная мостовая схема:
В схеме трехфазного выпрямительного моста в результате получается напряжение на выходе с меньшими пульсациями, чем в однофазном выпрямителе (рис.3).
Рис. 3. Напряжение на выходе трехфазного выпрямителя
Для выпрямления трехфазных напряжений так же широко используются диодные выпрямители. Очень распространены схемы выпрямителей на полумостовых диодных выпрямителях рис. 4.
Рис. 4. Трехфазная схема выпрямителя на полумостах
Как правило, для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя применяется фильтр в виде конденсатора или дросселя, к тому же для стабилизации выходного напряжения устанавливается стабилитрон рис. 5.
Рис. 5. Схема диодного выпрямителя с фильтром
Конструкция, преимущества
Рис. 6. Диодный мост на дискретных элементах
Конструкция диодных мостов может быть выполнена из отдельных диодов, или в виде монолитной конструкции (диодной сборки). Монолитная конструкция, как правило, предпочтительней - она дешевле и меньше по объему. Диоды в ней подобраны на заводе изготовителе и параметры максимально аналогичны друг другу, в отличие от отдельных диодов, где параметры могут отличаться друг от друга, к тому же в рабочем состоянии диоды в диодной сборке работают в одинаковом тепловом режиме, что уменьшает вероятность выхода из строя элемента. Еще одним преимуществом диодной сборки является ее простота монтирования на плате. Основным недостатком монолитной конструкции является не возможность замены одного диода, вышедшего из строя другим, в этом случае необходимо менять всю сборку, но происходит это крайне редко, если рабочие режимы диодного моста подобраны правильно.
Рис. 7. Диодная сборка
Области применения
Область применения выпрямительных мостов обширна, например:
- приборы освещения (люминесцентные лампы, ЭПРА, модули солнечных батарей);
- счетчики электроэнергии;
- блоки питания и управления бытовой техники (телевизоров, миксеров, стиральных машин, пылесосов, set-top-box, компьютеров, холодильников, электроинструмента и др.), зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, AC/DC-DC/DC преобразователи;
- промышленное (блоки питания, зарядные устройства, блоки управления электродвигателями, регуляторы мощности и др.), автомобильные выпрямители.
Diotec в электронике
Рассмотрим области применения выпрямительных диодов Diotec.
Компания Diotec Semiconductor AG (Diotec) - была образована в 1973 году в городе Хайтерсхайм (Германия). На сегодняшний день компания является ведущим производителем стандартных и силовых полупроводниковых диодов и выпрямителей, вся продукция выполнена на новейшем оборудовании с высоким уровнем качества по безсвинцовой технологии. Благодаря применению собственной уникальной технологии Plasma EPOS не имеющей аналогов в мире призванной обеспечить не только высокое качество производимой продукции, но и полностью исключить применение агрессивных кислот в процессе производства и свести к минимуму вредное влияние на окружающую среду, компания заняла одно из лидирующих мест на рынке электронных компонентов.
Как известно сердцем полупроводникового элемента является кремниевый кристалл. В отличие от многих других производителей, которые приобретают кристаллы у сторонних компаний, фирма Diotec владеет собственной полной технологической цепочкой полупроводникового производства - от создания кристаллов до сборки (корпусирования), тестирования и упаковки.
Diotec для приборов освещения
Одним из самых распространенных элементов для применения в устройствах осветительной техники является выпрямитель серии 1N4007, рассчитанный на ток до 1 А и напряжение до 1000 В.
Рис. 8. Выпрямители серии 1N4007 в сравнении с MS500 на печатной плате
Этот диод занял достойную нишу на рынке светотехнических устройств, но прогресс не стоит на месте и многие компании устремились найти рентабельную замену 1N4007 в виде эквивалентного устройства для поверхностного монтажа. Компания Diotec предложила свое решение в виде выпрямительного моста серии MS (рис.8). Устройство MS500 рассчитанное на рабочее напряжение до 1000 В на сегодняшний день наиболее популярное для применения в осветительных приборах. Диодный мост MS500 имеет выводы с шагом 2,5 мм наибольшим образом соответствует промышленным стандартам, площадь занимаемая мостом на печатной плате уменьшена со 140 мм 2 до 30 мм 2 , высота составляет 1,6 мм. Таким образом, экономится до 80% площади на плате и до 90% веса электронных компонентов, что влияет на транспортные расходы при перевозке элементов. Такие конструктивные особенности моста обеспечивают гибкость при изготовлении устройств и экономят средства. Кроме того, все четыре кристалла диодного моста устанавливаются одновременно (используется технология QuattroChip), что позволяет улучшить "выравнивание" диодного моста, повысить теплостойкость, а так же снизить количество выходов из строя, вызванных неравномерностью параметров диодов (при дискретной установке) и скачками входного тока.
Рис. 9. Внешний вид миниатюрной люминесцентной лампы и схемы балласта
Большинство конструкций балластных устройств потребляет небольшой ток. Поэтому требования к номинальным параметрам по току выпрямителей не очень высоки. Основной проблемой для осветительных устройств является высокая температура окружающего воздуха.
Рис. 10. Характеристика диодного моста B250S2A в режиме повышенной температуры
Высокая температура вызывает появление проблем, связанных со снижением номинальных параметров по току, и во многих случаях инженера избегают применения мостовых выпрямителей предназначенных для поверхностного монтажа (SMD), в балластных схемах мощных осветительных приборов. Они предпочитают использовать четыре дискретных элемента для поверхностного монтажа (например, серии S1M) или компоненты с осевым расположением. Серия диодных мостов B250S2A решает данную проблему. Этот мостовой выпрямитель рассчитан на номинальный ток до 2,3 А и способен пропускать ток 0,7 А при температуре 125 °С. Кроме того, он способен обеспечивает прямое падение напряжения V F = 0,95 В при токе 2 А, что на 15-20% лучше, чем у мостовых выпрямителей других производителей. При изготовлении диодных мостов серии BxxxS2A так же был применена технология QuattroChip, позволяющая повысить устойчивость вольтамперной характеристики мостового выпрямителя к выбросам.
В осветительной технике зачастую требуются выпрямители, рассчитанные на работу с напряжениями до 2000 В. Такие выпрямители применяются в некоторых типах ламп, где необходимо высокое напряжение для поджига разряда. Применяемые в промышленности технологии пассивации диодных переходов, для изготовления элементов в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, представляют определенную трудность.
Рис. 11. Общий вид ЭПРА
Запатентованная компанией Diotec система Plasma EPOS позволяет применять технологии пассивации подложки на напряжения до 2000 В. Диодные переходы, полученные с помощью этих процессов, могут монтироваться в корпуса MELF или плоские корпуса для поверхностного монтажа (SMD). Такой технологический процесс привел к появлению диодных выпрямителей серии SM513…SM2000 в корпусах MELF рассчитанных на рабочий ток до 1 А и напряжение 1300-2000 В.
Рис. 12. Общий вид миниатюрной люминесцентной лампы
Здесь же стоит отметить одни из последних выпущенных компанией Diotec в серийное производство выпрямителей серии S1T…S1Y, которые являются логическим продолжением промышленного стандарта серии S1 рассчитанных на напряжение до 2000 В и ток до 1 А, выпрямители этой серии выпускаются в корпусе SMA. А так же версии S2x и S3x рассчитанные на токи до 2 и 3 А в корпусах SMB и SMC соответственно.
Рис. 13. Серия высоковольтных выпрямителей в SMD исполнении
В российской промышленности в настоящее время многие производители светотехнического оборудования активно применяют диодные мосты конкурирующих производителей для поверхностного монтажа серии DB10xS рассчитанных на рабочий ток до 1 А и напряжение до 1000 В. Компания Diotec выпускает аналогичные диодные мосты серии BxxxS, преимуществом которых является сохранение номинальных параметров от температуры, благодаря применению передовой технологии изготовления элементов и тщательному контролю качества, ударный прямой ток достигает 40 А, против 30 А у конкурентов, к тому же корпус диодных мостов серии BxxxS SO-DIL (SMD) имеет меньшие габариты аналогичных элементов других производителей.
Рассмотрим одну из интересных схем применения диодного моста в электронном пускорегулирующем аппарате (ЭПРА) рис.14.
Рис. 14. ЭПРА на базе UBA2021, с входной цепью на B380C1500A
Основой схемы ЭПРА является 630-вольтовая микросхема UBA2021 предназначенная для управления и контроля люминесцентной лампой. Входная цепь выполнена на диодном мосту серии B380C1500A рассчитанное на рабочий ток до 2,3 А и напряжение до 800 В.
Для управления люминесцентными лампами можно использовать микросхемы серии UBA2014, UBA2021, UBA2024.
Еще одним из применений диодных мостов являются, например бытовые регуляторы освещения для ламп накаливания.
Рассмотрим несколько простых схем регуляторов.
Рис. 15. Регулятор освещения лампы накаливания
Схема регулятора на рис.15 позволяет выполнять две функции: автоматически поддерживать заданный уровень освещенности вне зависимости от изменения уровня внешней освещенности и плавно регулировать задаваемый уровень освещенности.
При монтаже устройства необходимо учесть, что бы светочувствительный элемент (фоторезистор) располагался таким образом, что бы свет от лампы накаливания напрямую не попадал на рабочую площадку фоторезистора.
При необходимости данный регулятор освещенности может быть преобразован в регулятор других параметров, например в терморегулятор.
На рис.16 показан другой вариант построения регулятора. Этот регулятор так же может быть использован для различных вариантов применения, регулятор освещенности, температуры, напряжения, тока и др.
Рис. 16. Регулятор температуры на основе регулятора освещенности
Выпрямительная часть построена на дискретных диодах серии 1N4007, так же можно использовать диодный мост серии B500S. Симистор BT136B-600E в корпусе D2PAK, применен в целях экономии места, подойдет другой симистор из этой серии.
При небольшой доработке данных схем можно разработать датчик автоматического включения света, например на основе звукового эффекта, с включением на звук, или используя оптический датчик на ИК-лучах, а так же можно создать схему дистанционного управления освещением.
Таблица 1. Характеристики выпрямителей
| P/N | Корпус | Импульсное обратное напряжение, V RRM (В) | Средний ток прямой макс, I FAV (А) | Ударный прямой ток, I FSM (А) | Напряжение прямое | Ток утечки | ||
| V F (В) | I F (А) | I R (мкА) | V R (В) | |||||
| Выпрямители | ||||||||
| 1N4001 | DO-41 | 50 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 50 |
| 1N4002 | DO-41 | 100 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 100 |
| 1N4003 | DO-41 | 200 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 200 |
| 1N4004 | DO-41 | 400 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 400 |
| 1N4005 | DO-41 | 600 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 600 |
| 1N4006 | DO-41 | 800 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 800 |
| 1N4007 | DO-41 | 1000 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 1000 |
| 1N4007-13 | DO-41 | 1300 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 1300 |
| EM513 | DO-41 | 1600 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 1600 |
| EM516 | DO-41 | 1800 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 1800 |
| EM518 | DO-41 | 2000 | 1 | 50 | 1.1 | 1 | 5 | 2000 |
| S1A | SMA | 50 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 50 |
| S1B | SMA | 100 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 100 |
| S1D | SMA | 200 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 200 |
| S1G | SMA | 400 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 400 |
| S1J | SMA | 600 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 600 |
| S1K | SMA | 800 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 800 |
| S1M | SMA | 1000 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 1000 |
| S1T | SMA | 1300 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 1300 |
| S1W | SMA | 1600 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 1600 |
| S1X | SMA | 1800 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 1800 |
| S1Y | SMA | 2000 | 1 | 30 | 1.1 | 1 | 5 | 2000 |
| S2A | SMB | 50 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 50 |
| S2B | SMB | 100 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 100 |
| S2D | SMB | 200 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 200 |
| S2G | SMB | 400 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 400 |
| S2J | SMB | 600 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 600 |
| S2K | SMB | 800 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 800 |
| S2M | SMB | 1000 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 1000 |
| S2T | SMB | 1300 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 1300 |
| S2W | SMB | 1600 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 1600 |
| S2X | SMB | 1800 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 1800 |
| S2Y | SMB | 2000 | 2 | 50 | 1.1 | 1.15 | 5 | 2000 |
| S3A | SMC | 50 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 50 |
| S3B | SMC | 100 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 100 |
| S3D | SMC | 200 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 200 |
| S3G | SMC | 400 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 400 |
| S3J | SMC | 600 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 600 |
| S3K | SMC | 800 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 800 |
| S3M | SMC | 1000 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 1000 |
| S3T | SMC | 1300 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 1300 |
| S3W | SMC | 1600 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 1600 |
| S3X | SMC | 1800 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 1800 |
| S3Y | SMC | 200 | 3 | 110 | 1.15 | 3 | 5 | 2000 |
| Мосты выпрямительные | ||||||||
| MS40 | Micro-DIL | 80 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 80 |
| MS80 | Micro-DIL | 160 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 160 |
| MS125 | Micro-DIL | 250 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 250 |
| MS250 | Micro-DIL | 600 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 600 |
| MS380 | Micro-DIL | 800 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 800 |
| MS50 | Micro-DIL | 1000 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 1000 |
| B40S2A | SO-DIL | 80 | 2.3 | 65 | 0.95 | 2 | 10 | 80 |
| B80S2A | SO-DIL | 160 | 2.3 | 65 | 0.95 | 2 | 10 | 160 |
| B125S2A | SO-DIL | 250 | 2.3 | 65 | 0.95 | 2 | 10 | 250 |
| B250S2A | SO-DIL | 600 | 2.3 | 65 | 0.95 | 2 | 10 | 600 |
| B380S2A | SO-DIL | 800 | 2.3 | 65 | 0.95 | 2 | 10 | 800 |
| B40S | SO-DIL | 80 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 80 |
| B80S | SO-DIL | 160 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 160 |
| B125S | SO-DIL | 250 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 250 |
| B250S | SO-DIL | 600 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 600 |
| B380S | SO-DIL | 800 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 800 |
| B500S | SO-DIL | 1000 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 100 |
Diotec для счетчиков электроэнергии
Счетчики электроэнергии для переменного тока начинают свою историю с конца 19 века, когда в 1888 году был разработан первый счетчик электроэнергии Оливером Б. Шелленбергом.
Существуют три вида электросчетчиков:
- индукционные (механические) наиболее простые и дешевые, имеют ряд недостатков: большая погрешность вычисления, отсутствие тарификации измерений, нет возможности дистанционного снятия показаний.
- цифровые (электронные) эти счетчики дороже индукционных, но имеют ряд преимуществ, они обладают высокой точностью измерений, удобный в использовании интерфейс (ЖКИ) и набор функций для пользователей, средний срок службы таких счетчиков составляет 30 лет. В цифровых счетчиках есть возможность установки нескольких тарифов, и возможность включения таких счетчиков в общую систему с возможностью дистанционного снятия показаний (АСКУЭ), как правило, такие счетчики обладают автоматической корректировкой по температуре, где могут быть применены цифровые термодатчики серии LM75, NE16, SE95.
- гибридные счетчики электроэнергии - наиболее редко встречающийся вариант счетчиков, где используется цифровой интерфейс, индукционная или электрическая измерительная часть и механическое вычислительное устройство.
Счетчики электроэнергии необходимо разделять на несколько функциональных узлов: блок питания, схема счетчика, корректирующие цепи и др. Блок питания преобразует высокое переменное входное напряжение в низкое прямое и обеспечивает питание всех цепей счетчика. Схема счетчика измеряет ток, потребляемый нагрузкой, посредством трансформатора тока, через который протекает ток. Другие блоки электросчетчика выполняют целый ряд различных функций: вывод показаний и управление через проводные (Ethernet), или беспроводные (Wi-Fi, WiMax, ZeegBee) сети, управление ЖКИ дисплеем, коррекция точности, термокомпенсация счетчика и др.
Рассмотрим вариант применения диодного моста в счетчике электроэнергии, для примера возьмем схему наиболее простого однофазного счетчика рис.17.
Счетчик состоит из микросхемы обработки, трех трансформаторов тока, цепи питания, электромеханического счетного устройства и дополнительных цепей.
В качестве регистра электроэнергии используется простое электромеханическое отсчетное устройство, в котором применен двухфазный шаговый двигатель.
Рис. 17. Схема однофазного счетчика
Электропитание счетчика обеспечивается источником, построенным на токовом трансформаторе и двухполупериодном выпрямителе, в качестве выпрямительных диодов здесь применены наиболее популярные выпрямительные диоды серии 1N4007, которые можно заменить диодными мостами серии MS250, B500S предназначенные для поверхностного монтажа или аналогичными диодами серии S1M в SMD исполнении.
Diotec для блоков питания и AC/DC-DC/DC преобразователей
Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора, с первичной и вторичной обмоткой, выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода, например серии 1N400x, или четырех диодов, включенных по мостовой схеме и образующих диодный мост на дискретных элементах. Но как уже рассматривалось ранее, такое включение диодов имеет ряд недостатков по сравнению с диодным мостом в виде монолитной конструкции. Как правило, после выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий пульсации, обычно для этого применяется конденсатор большой емкости. Так же могут быть установлены фильтры высокочастотных помех (дроссель), всплесков (TVS-диоды, например серии BZW04-xxx, P4KExx, 1.5KExx), защиты от короткого замыкания, стабилизаторы напряжения и тока (стабилитроны, например серии ZPDxx, ZPYxx, 1N53xx, BZVxx, BZXxx).
Рассмотрим одну из простых схем трансформаторного блока питания, схема которого приведена на рис.18.
Выходное напряжение плавно регулируется резистором R7от 0 до 30 В. К тому же данный блок питания имеет плавную регулировку ограничения по току.
Напряжение с трансформатора выпрямляется диодным мостом серии GBU6B и подается на схему стабилизации и далее схемы регулирования тока напряжения и защиты.
Рис. 18. Трансформаторный блок питания
В настоящее время больший интерес представляют импульсные источники питания, т.к. они имеют ряд преимуществ, таких как: небольшой вес, высокий КПД, низкая стоимость, повышенная пиковая мощность при сравнимых габаритах, широкий диапазон питающего напряжения, система защиты.
В импульсных блоках питания переменное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение используется для питания широтно-импульсного модулятора (ШИМ), контроллера, драйверов и преобразователя, с помощью которого постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы c заданной частотой и скважностью, подаваемые на трансформатор. В таких блоках питания могут применяться малогабаритные трансформаторы - это объясняется тем, что с ростом частоты питающего напряжения уменьшаются требования к габаритам сердечника. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.
Одна из выходных обмоток трансформатора используется для обратной связи. В зависимости от напряжения на ней (например, при изменении тока нагрузки) изменяется частота или скважность импульсов на выходе ШИМ контроллера. Таким образом, с помощью этой обратной связи блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.
Рассмотрим одну из простейших принципиальных схем импульсного источника питания, показанную на рис.19.
Источники питания представляет собой обратноходовой (FlyBack) ИИП.
Рис. 19. Схема импульсного источника питания
Источник питания имеет два выхода и обеспечивает напряжение 36 В и ток до 3 А общей мощностью до 220 Вт. Выпрямление входного напряжения обеспечивается диодным мостом KBU6M, TVS-диоды серии P6KE200A ограничивают выбросы напряжения. Микросхема AD1 выполняет функцию управления и ключа. Блок питания имеет гальваническую развязку входа и выхода, в том числе и цепи обратной связи. Имеется возможность плавной подстройки выходного напряжения резистором R7.
Рассмотрим еще одну интересную схему импульсного источника питания, показанную на рис.20.
Блок питания обеспечивает выходное напряжение до 5 В и ток до 1,2 А.
Рис. 20. Схема импульсного источника питания на основе TEA1522
Сердцем этого источника питания является микросхема TEA1522, которая представляет собой законченное решение для построения электронной части ИИП (управляющая схема и ключ в одном корпусе).
Входная часть блока питания выполнена на хорошо известных дискретных диодах серии 1N4007, которые как рассматривалось ранее можно заменить диодным мостом, выполненным в едином монолитном корпусе серии MS250, B500S.
Рассмотрим еще одно из применений диодных выпрямителей в бытовой технике, на примере блока управления холодильником для этого рассмотрим простую схему приведенную на рис.21.
Рис. 21. Схема блока управления холодильником
В схеме блока управления состоит из блока терморегулировки, таймера задержки включения, узла контроля напряжения сети.
Для выпрямления входного напряжения в данной схеме применен диодный мост российского производства серии КЦ407, который может быть заменен четырьмя дискретными диодами серии 1N4002-1N4007 или диодным мостом серии MS250, B500S.
Diotec для зарядных устройств
Рассмотрим простой пример применения диодных мостов в зарядных устройствах, на примере некоторых простых схем.
Рис. 22. Схема зарядного устройства
В схеме на рис.22 диодный мост выполнен на одном из распространенных диодов серии 1N4004, который можно заменить диодным мостом в виде монолитного блока серии MS250.
На схеме рис.23 представлен простейший вариант применения такого зарядного устройства на примере электрического карманного фонаря работающего от аккумулятора.
Принцип работы фонаря простой, при подключении сети переменного тока аккумулятор начинает заряжаться.
Рис. 23. Схема карманного фонаря
Переменное напряжение сети преобразуется мостовой схемой на диодах серии 1N4004, регулятор напряжения на микросхеме серии 7805 обеспечивает постоянное напряжение схемы.
Такой вариант исполнения карманного фонаря очень удобен, в схеме используется минимум элементов и вся конструкция может быть выполнена в корпусе самого фонаря с выводом контактов для подключения к сети переменного тока.
Diotec для сварочных аппаратов
Рассмотрим еще одно из наиболее популярных устройств, где применяются диодные мосты - это сварочные аппараты. На рис.24 приведена схема простейшего бытового сварочного аппарата.
Рис. 24. Схема бытового сварочного аппарата
Данная схема сварочного аппарата напоминает схему любого зарядного устройства для аккумуляторов, за исключением наличия понижающего трансформатора, который позволяет выбрать потребляемый устройством ток.
Выпрямителем здесь является диодный мост серии KBPC5012 (50 А, 1200 В).
Для преобразования зарядного устройства в недорогой сварочный аппарат необходимо сделать несколько доработок: добавить электромагнитное реле для управления током сварки, установить вентилятор для охлаждения трансформатора, а так же поставить систему автоматического регулирования мощности.
На рис.25 приведен еще один вариант построения сварочного аппарата выполненного на базе Pic-микроконтроллера серии
Рис. 25. Схема бытового сварочного аппарата на PIC16F628
Выпрямитель выполнен на четырех диодах серии 1N5403 (3 А, 300 В). Для индикации параметров сварочного аппарата применен семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом управляемый Pic-микроконтроллером.
Diotec для блоков управления электродвигателем
Электродвигатели бывают постоянного тока и переменного тока, одно, двух и трехфазные, многофазные, коллекторные и бесколлекторные, синхронные и асинхронные, шаговые, вентильные и другие. На базе этих двигателей строятся электроприводные системы с различными вариантами управления, в настоящее время самыми распространенными являются микропроцессорные электроприводы. Электроприводы с цифровым микропроцессорным управлением очень широко применяются не только в промышленных областях, таких как станкостроение, автомобильная промышленность, но и в бытовой технике, медицинской технике, электроинструменте.
Рассмотрим некоторые простые схемы управления электродвигателем.
Схема на рис.26 позволяет управлять электромотором мощностью до 5 кВт, здесь применен двигатель постоянного тока, и простая схема с применением реле. Схема обеспечивает плавный запуск и ручную установку нужной частоты вращения электромотором.
Рис. 26. Схема управления электродвигателем
В схеме управления применен диодный мост серии B125S (1 А, 125 В) в корпусе SO-DIL. Генератора импульсов, выполненный на транзисторе BD238, синхронизирован с периодом пульсации сетевого напряжения. Схема управления подает сигнал на управляющие выводы тиристоров, здесь применены тиристоры серии BT145-R (25 А, 800 В) в корпусе TO220AB. Вместо выпрямительных диодов серии P1000G на ток до 10 А и напряжение 400 В можно применить диодные мосты серии KBPC2512F (800 В, 25 А).
Схемы управления маломощными электродвигателями
Регулировать частоту вращения маломощного коллекторного электродвигателя можно, включая последовательно с ним резистор. Однако такой вариант дает низкий КПД, и не дает возможности делать плавную регулировку вращения. Главное, что такая мера приводит к остановке вращения вала: электродвигатель "зависает" при малом напряжении питания в некотором положении ротора. Схема ШИМ-регулятора оборотов маломощного коллекторного двигателя приведенная на рис.27 свободна от таких недостатков. Такую схему можно так же применять для регулировки яркости свечения ламп накаливания.
Рис. 27. ШИМ-регулятор оборотов маломощного коллекторного электродвигателя
Данная схема выполнена на интегральном таймере серии ICM7555 и позволяет регулировать частоту вращения в пределах от 2 до 98% периода повторения импульсов.
Входная часть регулятора выполнена на диодном мосту серии MS250 (250 В, 0,5 А) в корпусе SuperMicroDIL.
Диодные выпрямители для одно- и трехфазных приложений
Для применения в источниках бесперебойного питания и схемах управления электродвигателем, инверторах и промышленных источниках питания компания Diotec предлагает полупроводниковые диоды и диодные выпрямительные модули. Компания имеет большой портфолио диодных выпрямителей, для построения одно- и трехфазных схем.
Входной выпрямитель можно интегрировать в состав инвертора или использовать как самостоятельный блок. При выборе того или иного элемента схемы необходимо учитывать тепловые характеристики и стоимость схем.
Как инвертор, так и диодный мост рассеивают некоторую мощность. Инвертор и диодный мост, расположенные в одном корпусе имеют ряд ограничений при использовании, т.к. рассеиваемая мощность должны быть отведена с достаточно небольшой площади, в этом случае необходимо ставить радиатор, следствием этого является удорожание схемы. Применение дискретных модулей выпрямителя и инвертора в этом случае может оказаться более целесообразным. Компания Diotec предлагает компромиссное решение в виде отдельного модуля выпрямителя. Такое решение обеспечивает наилучший отвод тепла, а значит и лучше стабильность и срок службы элемента. Серия трехфазных мостов DB с терминалами типа Fast-On и серия DBI в корпусах собственной разработки Diotec с односторонним расположением выводов, наилучшим образом подходит для схем малой и средней мощности.
Трехфазные выпрямители серии DB рассчитаны на ток 15-35 А при напряжении до 1600 В, выпрямители серии DBI рассчитаны на ток до 25 А при напряжении до 1600 В.
В портфолио диодных выпрямителей компании Diotec насчитывается большой перечень однофазных выпрямителей, таких серий как B40, B80, B125/250/380, CS рассчитанных на ток до 7А при напряжении до 1000 В, GBS, GBI, GBU, KBU, KBPC, PB на ток 4-35 А и напряжение до 1600 В. В таблице 2 приведены некоторые наименования диодных выпрямителей этих серий и их краткие характеристики.
Таблица 2. Характеристики одно- и трехфазных диодных выпрямителей
| P/N | Упаковка, мм | Импульсное обратное напряжение, V RRM В | Средний ток прямой макс, I FAV А | Ударный прямой ток 50/60 Гц, I FSM А | Напряжение прямое | Ток утечки | ||
| V F В | I F А | I R мкА | V R В | |||||
| Выпрямители 3-х фазные | ||||||||
| DB15/25-005 | 28,5х28,5х10 | 50 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 50 |
| DB15/25-01 | 28,5х28,5х10 | 100 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 100 |
| DB15/25-02 | 28,5х28,5х10 | 200 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 200 |
| DB15/25-04 | 28,5х28,5х10 | 400 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 400 |
| DB15/25-06 | 28,5х28,5х10 | 600 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 600 |
| DB15/25-08 | 28,5х28,5х10 | 800 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 800 |
| DB15/25-10 | 28,5х28,5х10 | 1000 | 15/25 | 375/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 1000 |
| DB15/25-12 | 28,5х28,5х10 | 1200 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 1200 |
| DB15/25-14 | 28,5х28,5х10 | 1400 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 1400 |
| DB15/25-16 | 28,5х28,5х10 | 1600 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5 | 10 | 1600 |
| DB35-005 | 28,5х28,5х10 | 50 | 35 | 500 | 1.02 | 17.5 | 10 | 50 |
| DB35-01 | 28,5х28,5х10 | 100 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 100 |
| DB35-02 | 28,5х28,5х10 | 200 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 200 |
| DB35-04 | 28,5х28,5х10 | 400 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 400 |
| DB35-06 | 28,5х28,5х10 | 600 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 600 |
| DB35-08 | 28,5х28,5х10 | 800 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 800 |
| DB35-10 | 28,5х28,5х10 | 1000 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 1000 |
| DB35-12 | 28,5х28,5х10 | 1200 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 1200 |
| DB35-14 | 28,5х28,5х10 | 1400 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 1400 |
| DB35-16 | 28,5х28,5х10 | 1600 | 35 | 500 | 1.05 | 17.5 | 10 | 1600 |
| DBI15/25-005 | 40х20х10 | 200 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 50 |
| DBI15/25-01 | 40х20х10 | 400 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 100 |
| DBI15/25-02 | 40х20х10 | 600 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 200 |
| DBI15/25-04 | 40х20х10 | 800 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 400 |
| DBI15/25-06 | 40х20х10 | 1000 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 600 |
| DBI15/25-08 | 40х20х10 | 1200 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 800 |
| DBI15/25-10 | 40х20х10 | 1400 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 1000 |
| DBI15/25-12 | 40х20х10 | 1600 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 1200 |
| DBI15/25-14 | 40х20х10 | 50 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 1400 |
| DBI15/25-16 | 40х20х10 | 100 | 15/25 | 275/385 | 1.05 | 7.5/12.5 | 10 | 1600 |
| DBI25-005A | 35х25х4 | 50 | 25 | 390 | 1.05 | 12.5 | 10 | 50 |
| DBI25-04A | 35х25х4 | 400 | 25 | 390 | 1.05 | 12.5 | 10 | 400 |
| DBI25-08A | 35х25х4 | 800 | 25 | 390 | 1.05 | 12.5 | 10 | 800 |
| DBI25-12A | 35х25х4 | 1200 | 25 | 390 | 1.05 | 12.5 | 10 | 1200 |
| DBI25-16A | 35х25х4 | 1600 | 25 | 390 | 1.05 | 12.5 | 10 | 1600 |
| DBI6-005 | 40х20х10 | 200 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 50 |
| DBI6-01 | 40х20х10 | 400 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 100 |
| DBI6-02 | 40х20х10 | 600 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 200 |
| DBI6-04 | 40х20х10 | 800 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 400 |
| DBI6-06 | 40х20х10 | 1000 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 600 |
| DBI6-08 | 40х20х10 | 1200 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 800 |
| DBI6-10 | 40х20х10 | 1400 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 1000 |
| DBI6-12 | 40х20х10 | 1600 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 1200 |
| DBI6-14 | 40х20х10 | 900 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 1400 |
| DBI6-16 | 40х20х10 | 1000 | 6 | 135 | 1.05 | 3 | 10 | 1600 |
| Мосты выпрямительные | ||||||||
| B125C1500A/B | 19х3,5х10 | 250 | 1.8 | 50 | 10 | 250 | ||
| B125D | DIL | 250 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 250 |
| B250C1500A/B | 19х3,5х10 | 600 | 1.8 | 50 | 10 | 600 | ||
| B250S | DIL | 600 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 600 |
| B380C1500A/B | 19х3,5х10 | 800 | 1.8 | 50 | 10 | 800 | ||
| B380D | DIL | 800 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 800 |
| B40C1500A/B | 19х3,5х10 | 80 | 1.8 | 50 | 10 | 80 | ||
| B40D | DIL | 80 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 80 |
| B500C1500A/B | 19х3,5х10 | 1000 | 1.8 | 50 | 10 | 1000 | ||
| B500S | DIL | 1000 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 1000 |
| B80C1500A/B | 19х3,5х10 | 160 | 1.8 | 50 | 10 | 160 | ||
| B80D | DIL | 160 | 1 | 40 | 1.1 | 1 | 10 | 160 |
| CS10D | DIL | 20 | 1 | 40 | 0.5 | 1 | 500 | 20 |
| GBI10M | 32х5,6х17 | 1000 | 3 | 220 | 10 | 1000 | ||
| GBU10M | 20,8х3,3х18 | 1000 | 8.4 | 300 | 1 | 12 | 10 | 1000 |
| KBPC10/15/2500FP | ||||||||
| KBPC601 | 15,2х15,2х6,3 | 100 | 3.8 | 125 | 1.2 | 3 | 10 | 100 |
| KBU12M | 23,5х5,7х19,3 | 1000 | 8.4 | 300 | 1 | 12 | 10 | 1000 |
| KBU8M | 23,5х5,7х19,3 | 1000 | 5.6 | 300 | 1 | 8 | 10 | 1000 |
| MS500 | SuperMicroDIL | 1000 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 1000 |
| MYS250 | MicroDIL | 600 | 0.5 | 20 | 1.2 | 0.5 | 10 | 600 |
| PB1001 | 19х19х6,8 | 70 | 10 | 150 | 1.2 | 5 | 10 | 35 |
| S80 | MiniDIL (TO-269AA) | 160 | 0.8 | 44 | 1.2 | 0.8 | 10 | 160 |
Для применения в одно- и трехфазных схемах компания Diotec предлагает новые полумосты серии S16 в корпусе D2PAK (TO263). Два или три таких полумоста могут легко сформировать одно- или трехфазную схему входного выпрямителя.
Рис. 28. Полумост S16
Такой полумост улучшает процесс автоматической пайки плат и не требует ручного процесса монтажа мост/радиатор в источниках питания и блоках управления двигателем, рассчитанных на работу до нескольких сотен Ватт.
Серия S16 содержит два диода номиналом 8 А, которые могут использоваться, для создания однофазного моста с максимальным током 16 А или трехфазного моста с током до 24 А. Обратное напряжение полумоста достигает 1000 В, максимальный ток перегрузки 135 A при частоте 50 Гц.
Diotec на рынке электронных компонентов
Как видно из рассмотренных примеров области применения диодных выпрямителей, очень велик. Компания Diotec, являющаяся одним из лидеров на рынке полупроводниковых элементов, не ограничивается производством диодных выпрямителей, она имеет сильный портфолио полупроводниковых продуктов диодов и транзисторов общего применения, TVS-диодов (или как еще их называют супрессоры, или ограничительные диоды), быстрые и сверхбыстрые диоды, диоды Шоттки, диоды Зенера и др.
Российский рынок электроники имеет свою специфику работы, и порой цена на компонент становится основным аргументом при выборе того или иного производителя, чем электрические характеристики и их надежность. Многие азиатские производители поставляют свою дешевую продукцию на российский рынок. Компания Diotec является большим подспорьем на российском рынке электронных компонентов для азиатских компаний, обладая высочайшим качеством продукции и приемлемой ценой.
В сочетании с передовыми технологиями и немецким подходом к организации производства продукция Diotec позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности.
Опыт применения компонентов Diotec показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких как
Егоров Алексей ,
Компания
Известный даже неспециалистам выпрямительный диод – это особый вид приборов на основе полупроводников, используемый с целью получения постоянных напряжений из исходных потенциалов с переменными параметрами. Изделия этого класса относятся к двухэлектродным устройствам с односторонней проводимостью, благодаря которой обеспечивается их выпрямительный эффект (смотрите фото ниже).
Построенные на основе этих элементов диодные выпрямители широко применяются как в электротехнике, так и в современных электронных изделиях. Чаще всего выпрямительные диоды используются в качестве простых одиночных вентилей или в составе более сложных мостовых схем.
Принцип выпрямления
У любого выпрямительного прибора имеется два вывода или электрода, называемых анодом и катодом. Каждый из них соединен с образующими полупроводниковый переход пластинами соответствующей проводимости (анод – с «p», а катод – с «n» слоем). В моменты, когда на анод диода поступает плюс, а на его катод – минус (в случае так называемого «прямого» включения) прибор пропускает ток, находясь в открытом состоянии.
Если же полярность поступающего напряжения меняет свой знак (обратное включение диода), согласно его вольтамперной характеристике, ток через полупроводниковый переход не протекает. В результате односторонней проводимости прибора на его выходе образуется пульсирующий токовый сигнал (он приведен на фото ниже).
Согласно этой схеме после диода VD выпрямленный сигнал Un поступает в нагрузку R (пока без фильтрации), где используется по назначению.
Обратите внимание! Если на вход выпрямительного устройства подать переменное напряжение определенной амплитуды U, ток через него и нагрузку R потечет только в одном направлении.
В результате выпрямления на нагрузке появится серия из положительных полуволн, которые в дальнейшем поступают на электролитические конденсаторы с целью фильтрации. Только после сглаживания пульсаций посредством емкостей можно будет говорить об окончательно выпрямленном напряжении.
Вольтамперная характеристика (ВАХ)
Вольтамперная характеристика рассматриваемого здесь прибора представлена на размещенном ниже рисунке.
Из нее видно, что в первом квадранте осей координат (справа сверху) располагается прямая ветвь зависимости тока Iпр от подаваемого на выпрямитель напряжения Uпр. Своей формой она указывает на низкое сопротивление диода при положительной полярности приложенного к его полюсам потенциала (линейная часть с наклоном, близким к 45 градусам).
В третьем квадранте (слева внизу) располагается обратная ее ветвь, своим горизонтальным положением указывающая на высокое сопротивление p-n перехода.
В этом квадранте напряжение Uобр на полюсах диода имеет отрицательную полярность, вследствие чего ток Iобр через смещенный в обратном направлении переход близок к нулю.
Теория управления p-n переходом
Заложенный в основу любого диодного элемента электронный p-n переход представляет собой двойной слой из насыщенных и обедненных электронами (дырками) областей, которые располагаются одна от другой на удалении порядка размера атома.
Если подать на такой диод напряжение прямой полярности (плюс – на анод, а минус – на катод), электроны из насыщенного ими слоя начинают усиленно диффундировать в область, где их меньше, разгоняясь приложенным положительным потенциалом. В результате этого проводимость слоя резко увеличивается (его сопротивление падает), и ток начинает протекать в прямом направлении. То же самое происходит и с дырками.
В случае, когда к этому же элементу прикладывается напряжение противоположной полярности (потенциалы на аноде и катоде меняются своими знаками), дырки и электроны начинают удаляться от перехода. При этом на его границе образуется потенциальный барьер, не позволяющий носителям зарядов проникать из одной области в другую (смотрите фото ниже).
Вследствие этого эффекта переход находится в состоянии пониженной проводимости (высокого сопротивления), при котором диод не проводит ток. С энергетической точки зрения, оба рассмотренных выше случая сводятся к преодолению электронного барьера, искусственно создаваемого на стыке полупроводников двух проводимостей.
Дополнительная информация. В качестве полупроводников используются известные элементы таблицы Менделеева с явно выраженным полуметаллическим эффектом (индий, германий, кремний и другие).
Из этих материалов и формируются описанные выше p-n переходы, которые при изготовлении размещаются в корпусе готового к применению изделия – диода.
Классификация и характеристики диодов
Все известные типы выпрямительных диодов принято различать по следующим признакам:
- Величина коммутируемой мощности;
- Частота переключений;
- Вид используемого при изготовлении p-n перехода полупроводника.
По первому из этих признаков диоды делятся на маломощные приборы, а также на изделия средней и большой мощности. Указанное деление определяется силой тока, которую способен пропускать через себя p-n переход вентильного элемента при фиксированном напряжении на его электродах. В соответствии с этим признаком, рассматриваемые здесь электронные устройства могут быть разбиты на следующие три группы:
- Диоды низкой мощности с минимальной величиной выпрямленного (или прямого) тока – до 0,3 Ампер;
- Приборы средней мощности (от 0,3 до 10 Ампер);
- Мощные или силовые выпрямительные изделия, значения прямых токов в которых достигает величин порядка десятки и сотни ампер.
По своим частотным параметрам все известные типы диодов делятся на приборы низкой, средней, высокой и сверхвысокой (СВЧ) частоты.
Обратите внимание! Большинство выпрямительных диодов, используемых в качестве вентилей в промышленных и бытовых электрических сетях 50 Герц, относятся к разряду низкочастотных.
По типу используемого при изготовлении диода перехода их принято делить на уже устаревшие германиевые изделия и современные кремниевые выпрямители. В соответствии с рассмотренной классификацией диодных компонентов, вводятся их характеристики, которые представлены следующими рабочими параметрами:
- Максимальное выпрямляемое (обратное) напряжение;
- Прямое напряжение на открытом диодном элементе (его падение на смещенном переходе);
- Допустимое значение пропускаемого через диод прямого тока;
- Величина допустимого обратного тока;
- Предельно рассеиваемая на вентиле мощность;
- Рабочая и максимальная температуры перехода;
- Допустимая частота коммутируемого сигнала.
Помимо указанных характеристик, которые считаются основными показателями функционирования диодных элементов, существуют и второстепенные, напрямую связанные с уже рассмотренными ранее параметрами. К ним обычно относят такие характеристики, как быстродействие и емкость p-n перехода, а также его дифференциальное и тепловое сопротивления.
Дополнительная информация. Эти параметры востребованы при проектировании сложных электронных схем, а на работу прибора в выпрямительном режиме, как правило, существенного влияния не оказывают.
Добавим к этому, что температурные режимы работы диодного элемента принято относить к его основным параметрам. Для самого распространенного типа этих изделий (кремниевого диода) этот показатель колеблется обычно в диапазоне от -50 до +130 градусов. При конструировании электронной аппаратуры большое внимание уделяется температуре корпуса самого прибора, величина которой зависит от его параметров (типа, мощности и производителя).
Области применения
Выпрямительные элементы вентильного типа в сфере электротехнических и электронных преобразований применяются, как правило, для следующих целей:
- Коммутация (размыкание и замыкание рабочих цепей);
- Детектирование и ограничение сигналов различной формы и длительности;
- Непосредственное выпрямление переменных напряжений, обеспечивающее получение стабильных уровней потенциалов.
Помимо этого, классический выпрямительный диод, изготовленный на основе кремниевых материалов, является основой для создания так называемых «мостовых» схем, включающих в свой состав сразу несколько элементов (фото ниже).
С появлением вентильных сборок из четырех диодов, включенных по встречно-параллельному принципу, существенно упростились сами выпрямительные модули с одновременным облегчением технологии их монтажа.
Благодаря таким замечательным характеристикам, как дешевизна, простота конструкции и надежность в эксплуатации выпрямительные диоды на основе полупроводниковых переходов широко применяются не только в электронных и электротехнических устройствах, но и в такой далекой от них области, как радиотехника.
Дополнительная информация. В радиотехнических устройствах эти элементы используются в высокочастотных режимах, обеспечивая выпрямление, коммутацию и ограничение принимаемых эфирных сигналов.
В заключительной части обзора отметим, что современные выпрямительные диоды представлены большим ассортиментом различных типов и моделей, отличающихся как своим конструктивным исполнением, так и заявленными рабочими характеристиками. Умение правильно обращаться с этими электронными элементами сводится к знанию алгоритма выбора того или иного образца диода, ориентируясь на приведенные в справочных пособиях данные.
Видео
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.
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.
Принцип работы выпрямительного диода
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 , 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 0 + R Д x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U 0 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:
- , 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 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.
Тем не менее, данный сглаженный ток все равно не обеспечивает нормальную работу, поскольку половина входного напряжения теряется при выпрямлении, когда задействуется только один полупериод. Этот недостаток компенсируют мощные выпрямительные диоды, собранные вместе в так называемый диодный мост. Данная схема состоит из четырех элементов, что позволяет пропускать ток в течение всех полупериодов. За счет этого преобразование переменного тока в постоянный происходит значительно эффективнее.
