Діоди і їх використання
Тема: «Розрахунок і побудова схем випрямлення»
Мета: 1 Набути навичок користуватися довідниками
2 Набути навичок розрахунків, складання і вибору різних схем випрямляча
Випрямний діод - це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний. Вони широко використовуються в ланцюгах управління і комутації, в схемах множення напруги, у всіх сільноточних ланцюгах, де не пред'являється жорстких вимог до тимчасових і частотним параметрами електричного сигналу.
Загальні характеристики випрямних діодів.
Залежно від значення максимально допустимого прямого струму випрямні діоди поділяються на діоди малої. середньої та великої потужності:
малої потужності розраховані для випрямлення прямого струму до 300mA;
середньої потужності - від 300mA до 10А;
великої потужності - понад 10А.
За типом матеріалу вони поділяються на германієві і кремнієві. але, на сьогоднішній день найбільше застосування отримали кремнієві випрямні діоди через свої фізичні властивості.
Кремнієві діоди, в порівнянні з германієвими, мають у багато разів менші зворотні струми при однаковій напрузі, що дозволяє отримувати діоди з дуже високою величиною допустимої зворотної напруги, яке може досягати 1000 - 1500 В, тоді як у германієвих діодів воно знаходиться в межах 100 - 400В .
Працездатність кремнієвих діодів зберігається при температурах від -60 до + (125 - 150) º С, а германієвих - лише від -60 до + (70 - 85) º С. Це пов'язано з тим, що при температурах вище 85º С освіту електронно доручених пар стає настільки значним, що відбувається різке збільшення зворотного струму і ефективність роботи випрямляча падає.
Діоди малої потужності виготовляють в пластмасовому корпусі з гнучкими зовнішніми висновками, діоди середньої потужності - в металлостеклянном корпусі з жорсткими зовнішніми висновками, а діоди великої потужності - в металлостеклянном або металлокерамическом корпусі, тобто зі скляним або керамічним ізолятором. Приклад випрямних діодів германієвого (малої потужності) і кремнієвого (середньої потужності) показаний на малюнку нижче.
Гнучкі висновки (1). Кристали кремнію або германію (3) з p-n переходом (4) припаиваются до крісталлодержателю (2), який є водночас підставою корпусу. До крісталлодержателю приварюється корпус (7) зі скляним ізолятором (6), через який проходить висновок одного з електродів (5).
Основні електричні параметри випрямних діодів.
У кожного типу діодів є свої робочі і гранично допустимі параметри, згідно з якими їх вибирають для роботи в тій чи іншій схемі:
Iобр - постійний зворотний струм, мкА;
Uпр - постійна пряма напруга, В;
Іпр max - максимально допустимий прямий струм, А;
Uобр max - максимально допустима зворотна напруга, В;
Р max - максимально допустима потужність, що розсіюється на діоді;
Робоча частота. кГц;
Робоча температура. С.
Схема простого випрямляча змінного струму на одному діоді.
При позитивних напівперіодах напруги, що надходять на анод діода, діод відкривається. У ці моменти часу через діод, а значить, і через навантаження (Rн), що харчуються від випрямляча, тече прямий струм діода Іпр (на правом графіку хвиля полупериода показана червоним кольором).
При негативних напівперіодах напруги, що надходять на анод діода діод закривається. і у всій ланцюга буде протікати незначний зворотний струм діода (Iобр). Тут, діод як би відсікає негативну півхвилю змінного струму (на правом графіку така полуволна показана синьою пунктирною лінією).
У підсумку виходить, що через навантаження (Rн), підключену до мережі через діод (VD), тече вже не змінний, оскільки цей струм протікає тільки в позитивні напівперіоди, а пульсуючий струм - струм одного напрямку. Це і є випрямлення змінного струму.
Але такою напругою можна живити лише малопотужну навантаження, що харчуються від мережі змінного струму і не пред'являє до харчування особливих вимог, наприклад, лампу розжарювання.
Напруга через лампу буде проходити тільки під час позитивних напівхвиль (імпульсів), тому лампа буде слабо мерехтіти з частотою 50 Гц. Однак, за рахунок теплової інертності нитка не буде встигати остигати в проміжках між імпульсами, і тому мерехтіння буде слабо помітним.
Якщо ж живити таким напруженням приймач або підсилювач потужності, то в гучномовці або колонках ми будемо чути гул низького тону з частотою 50 Гц, званий фоном змінного струму. Це буде відбуватися тому, що пульсуючий струм, проходячи через навантаження, створює в ній пульсує напруга, яке і є джерелом фону.
Цей недолік можна частково усунути, якщо паралельно навантаженні підключити фільтруючий електролітичний конденсатор (CФ) великої місткості.
Заряджаючись імпульсами струму під час позитивних напівперіодів, конденсатор (CФ) під час негативних напівперіодів розряджається через навантаження (Rн). Якщо конденсатор буде досить великої ємності, то за час між імпульсами струму він не буде встигати повністю розряджатися, а значить, на навантаженні (Rн) буде безперервно підтримуватися ток як під час позитивних, так і під час негативних напівперіодів. Струм, підтримуваний за рахунок зарядки конденсатора, показаний на правому графіку суцільною хвилястою червоною лінією.
Але і таким, кілька згладженим струмом теж не можна живити приймач або підсилювач тому, що вони будуть «фонить», так як рівень пульсацій (Uпульс) поки ще дуже відчутний.
У випрямлячі, з роботою якого ми познайомилися, корисно використовується енергія тільки половини хвиль змінного струму, тому на ньому втрачається більше половини вхідної напруги і тому таке випрямлення змінного струму називають однополуперіодним. а випрямлячі - однополуперіодним випрямлячами. Ці недоліки усунуті в випрямлячах з використанням діодного моста.
Діодний міст - це невелика схема, складена з 4-х діодів і призначена для перетворення змінного струму в постійний. На відміну від однополупериодного випрямляча, що складається з одного діода і пропускає струм тільки під час позитивного напівперіоду, бруківка схема дозволяє пропускати струм протягом кожного напівперіоду. Діодні мости виготовляють у вигляді невеликих збірок укладених в пластмасовий корпус.
З корпусу збірки виходять чотири виведення навпроти яких розташовані знаки «+», «-» або «
», Що вказують, де біля мосту вхід. а де вихід. Але не обов'язково діодні мости можна зустріти у вигляді такої збірки, їх також збирають включенням чотирьох діодів прямо на друкованій платі, що дуже зручно.
Наприклад. Вийшов з ладу один з діодів моста, якщо буде стояти збірка, то її сміливо викидаємо, а якщо міст буде зібраний з чотирьох діодів прямо на платі - міняємо несправний діод і все готово.
На принципових схемах діодний міст позначають включенням чотирьох діодів в бруківку схему, як показано в лівій частині нижнього малюнка: тут, діоди є як би плечима випрямного моста.
Таке графічне позначення моста можна зустріти ще в старих журналах з радіотехніки. Однак, на сьогоднішній день, в основному, діодний міст позначають у вигляді ромба, всередині якого розташований значок діода, який вказує тільки на полярність вихідної напруги.
Тепер розглянемо роботу діодного моста на прикладі низьковольтного випрямляча. В такому випрямлячі, з використанням чотирьох діодів, під час кожної напівхвилі працюють по черзі два діода протилежних плечей моста, включених між собою послідовно, але зустрічно по відношенню до другої пари діодів.
З вторинної обмотки трансформатора змінна напруга надходить на вхід діодного моста. Коли на верхньому (за схемою) виведення вторинної обмотки виникає позитивний напівперіод напруги, струм йде через діод VD3. навантаження Rн. діод VD2 і до нижнього висновку вторинної обмотки (див. графік а). Діоди VD1 і VD4 в цей момент закриті і через них струм не йде.
Протягом другого напівперіоду змінної напруги, коли плюс на нижньому (за схемою) виведення вторинної обмотки, струм йде через діод VD4. навантаження Rн. діод VD1 і до верхнього висновку вторинної обмотки (див. графік б). У цей момент діоди VD2 і VD3 закриті і струм через себе не пропускають.
Коли змінюються знаки напруги на вторинній обмотці трансформатора, а через навантаження випрямляча йде струм одного напряму (див. Графік в). В такому випрямлячі корисно використовуються обидва напівперіоду змінного струму, тому подібні випрямлячі називають двухполуперіодним.
Робота двухполуперіодного випрямляча в порівнянні з одноперіодний виходить набагато ефективніше:
1. подвоїти частота пульсацій випрямленого струму;
2. Зменшилися провали між імпульсами, що полегшило завдання згладжування пульсацій на виході випрямляча;
3. Середнє значення напруги постійного струму приблизно дорівнює змінній напрузі, що діє у вторинній обмотці трансформатора.
А якщо такий випрямляч доповнити фільтрує електролітичним конденсатором. то їм вже сміливо можна живити радіолюбительську конструкцію.
2.1. У довіднику знайти діод (згідно свого варіанту - дивись Завдання 1 Додатка 1 до практичної роботи).
А) Розшифрувати його позначення.
Б) Виписати параметри:
Iобр - постійний зворотний струм, мкА;
Uпр - постійна пряма напруга, В;
Іпр max - максимально допустимий прямий струм, А;
Uобр max - максимально допустима зворотна напруга, В;
Р max - максимально допустима потужність, що розсіюється на діоді;
Робоча частота. кГц;
Робоча температура. С.
В) Накреслити вольт-амперну характеристику діода з. Пояснити принцип роботи.