Co je to usměrňovací dioda? Usměrňovací diody: Obecné informace, konstrukční vlastnosti a charakteristiky proudového napětí

29.11.2023

Usměrňovací dioda, kterou znají i laici, je speciální typ polovodičového zařízení používaného k získání konstantních napětí z počátečních potenciálů s proměnnými parametry. Výrobky této třídy patří mezi dvouelektrodová zařízení s jednosměrnou vodivostí, která zajišťuje jejich usměrňovací účinek (viz foto níže).

Diodové usměrňovače postavené na základě těchto prvků jsou široce používány jak v elektrotechnice, tak v moderních elektronických výrobcích. Nejčastěji se usměrňovací diody používají jako jednoduchá jednoduchá hradla nebo jako součást složitějších můstkových obvodů.

Princip rovnání

Jakékoli usměrňovací zařízení má dva terminály nebo elektrody, nazývané anoda a katoda. Každá z nich je spojena s deskami odpovídající vodivosti, které tvoří polovodičový přechod (anoda je s vrstvou „p“ a katoda je s vrstvou „n“). V okamžicích, kdy je na anodu diody přivedeno plus a na její katodu mínus (v případě tzv. „přímého“ zapojení), prochází zařízením proud v otevřeném stavu.

Pokud polarita vstupního napětí změní své znaménko (reverzní zapnutí diody), podle její proudově-napěťové charakteristiky neteče polovodičovým přechodem žádný proud. V důsledku jednosměrné vodivosti zařízení se na jeho výstupu vytváří pulzující proudový signál (je znázorněn na fotografii níže).

Podle tohoto obvodu jde za diodou VD usměrněný signál Un do zátěže R (zatím bez filtrace), kde je použit k zamýšlenému účelu.

Poznámka! Je-li na vstup usměrňovacího zařízení přivedeno střídavé napětí o určité amplitudě U, proud skrz něj a zátěž R poteče pouze jedním směrem.

V důsledku usměrnění se na zátěži objeví řada kladných půlvln, které jsou následně přiváděny do elektrolytických kondenzátorů za účelem filtrace. Teprve po vyhlazení vlnění přes kondenzátory bude možné mluvit o konečně usměrněném napětí.

Charakteristika proud-napětí (CVC)

Proudově napěťová charakteristika zde uvažovaného zařízení je uvedena na obrázku níže.

Ukazuje, že v prvním kvadrantu souřadnicových os (vpravo nahoře) je přímá větev závislosti proudu Ipr na napětí Upr přiváděném do usměrňovače. Svým tvarem indikuje nízký odpor diody s kladnou polaritou potenciálu přivedeného na její póly (lineární část se sklonem blízkým 45 stupňům).

Ve třetím kvadrantu (vlevo dole) je jeho reverzní větev, jejíž vodorovná poloha ukazuje na vysoký odpor pn přechodu.

V tomto kvadrantu má napětí Urev na pólech diody zápornou polaritu, v důsledku čehož je proud Irev přes reverzně vychýlený přechod blízký nule.

Teorie řízení p-n přechodu

Elektronický p-n přechod pod kterýmkoli diodovým prvkem je dvojitá vrstva oblastí nasycených a ochuzených o elektrony (díry), které jsou umístěny jeden od druhého ve vzdálenosti řádově velikosti atomu.

Pokud na takovou diodu přivedete napětí s přímou polaritou (plus na anodu a mínus na katodu), začnou elektrony z jimi nasycené vrstvy intenzivně difundovat do oblasti, kde je jich méně, a zrychlovat se přiloženým pozitivní potenciál. V důsledku toho se vodivost vrstvy prudce zvyšuje (její odpor klesá) a proud začíná protékat v propustném směru. Totéž se děje s dírami.

V případě, že je na stejný prvek přivedeno napětí opačné polarity (potenciály na anodě a katodě mění svá znaménka), díry a elektrony se začnou vzdalovat od přechodu. Zároveň se na jeho hranici vytvoří potenciální bariéra, která nedovolí nosičům náboje proniknout z jedné oblasti do druhé (viz foto níže).

Díky tomuto efektu je přechod ve stavu snížené vodivosti (vysoký odpor), ve kterém dioda nevede proud. Z energetického hlediska oba výše diskutované případy vedou k překonání elektronické bariéry uměle vytvořené na spoji polovodičů dvou vodivostí.

Dodatečné informace. Jako polovodiče se používají známé prvky periodické tabulky s výrazným polokovovým efektem (indium, germanium, křemík a další).

Z těchto materiálů jsou vytvořeny výše popsané p-n přechody, které jsou při výrobě umístěny do pouzdra hotového výrobku - diody.

Klasifikace a charakteristiky diod

Všechny známé typy usměrňovacích diod se obvykle vyznačují následujícími charakteristikami:

Množství spínaného výkonu;
Spínací frekvence;
Typ polovodiče používaný při výrobě p-n přechodu.

Podle první z těchto charakteristik se diody dělí na zařízení s nízkou spotřebou energie a výrobky se středním a vysokým výkonem. Toto dělení je určeno proudovou silou, kterou je p-n přechod ventilového prvku schopen procházet přes sebe při fixním napětí na jeho elektrodách. V souladu s touto vlastností lze zde uvažovaná elektronická zařízení rozdělit do následujících tří skupin:

Nízkoenergetické diody s minimální hodnotou usměrněného (nebo stejnosměrného) proudu - do 0,3 Ampér;
Zařízení se středním výkonem (od 0,3 do 10 A);
Výkonné nebo výkonové usměrňovače, hodnoty stejnosměrných proudů, ve kterých dosahují hodnot v řádu desítek a stovek ampér.

Podle frekvenčních parametrů se všechny známé typy diod dělí na zařízení nízkých, středních, vysokých a ultravysokých (mikrovlnných) frekvencí.

Poznámka! Většina usměrňovacích diod používaných jako ventily v průmyslových a domácích elektrických sítích při 50 Hz je klasifikována jako nízkofrekvenční.

Podle typu přechodu použitého při výrobě diody se obvykle dělí na zastaralé germaniové produkty a moderní křemíkové usměrňovače. V souladu s uvažovanou klasifikací součástek diod jsou představeny jejich charakteristiky, které jsou reprezentovány následujícími provozními parametry:

Maximální usměrněné (reverzní) napětí;
Propustné napětí na otevřeném diodovém prvku (jeho pokles na vychýleném přechodu);
Přípustná hodnota propustného proudu procházejícího diodou;
Velikost přípustného zpětného proudu;
Maximální výkon rozptýlený ventilem;
Provozní a maximální přechodové teploty;
Přípustná frekvence spínaného signálu.

Kromě uvedených charakteristik, které jsou považovány za hlavní ukazatele fungování diodových prvků, existují také sekundární, které přímo souvisejí s parametry již diskutovanými dříve. Ty obvykle zahrnují charakteristiky, jako je rychlost a kapacita pn přechodu, stejně jako jeho diferenciální a tepelný odpor.

Dodatečné informace. Tyto parametry jsou požadovány při návrhu složitých elektronických obvodů a zpravidla nemají významný vliv na provoz zařízení v režimu usměrňovače.

K tomu dodejme, že za jeho hlavní parametry se obvykle považují teplotní podmínky činnosti diodového prvku. U nejběžnějšího typu těchto výrobků (křemíkové diody) se tento indikátor obvykle pohybuje od -50 do +130 stupňů. Při návrhu elektronického zařízení je velká pozornost věnována teplotě samotného těla zařízení, jejíž hodnota závisí na jeho parametrech (typ, výkon a výrobce).

Oblasti použití

Usměrňovací prvky ventilového typu v oblasti elektrických a elektronických transformací se obvykle používají pro následující účely:

Spínání (otevírání a zavírání provozních obvodů);
Detekce a omezení signálů různých tvarů a trvání;
Přímé usměrnění střídavých napětí zajišťující stabilní úrovně potenciálu.

Klasická usměrňovací dioda vyrobená z křemíkových materiálů je navíc základem pro vytváření tzv. „můstkových“ obvodů, které obsahují několik prvků najednou (foto níže).

S příchodem ventilových sestav se čtyřmi diodami zapojenými na principu back-to-back došlo k výraznému zjednodušení samotných modulů usměrňovačů a současně k usnadnění technologie jejich instalace.

Díky tak pozoruhodným vlastnostem, jako je nízká cena, jednoduchost konstrukce a provozní spolehlivost, jsou usměrňovací diody založené na polovodičových přechodech široce používány nejen v elektronických a elektrických zařízeních, ale také v tak vzdálené oblasti, jako je radiotechnika.

Dodatečné informace. V rádiových zařízeních se tyto prvky používají ve vysokofrekvenčních režimech, zajišťujících usměrnění, spínání a omezování přijímaných vzdušných signálů.

V závěrečné části recenze poznamenáváme, že moderní usměrňovací diody jsou zastoupeny velkým sortimentem různých typů a modelů, které se liší jak svým designem, tak deklarovanými výkonnostními charakteristikami. Schopnost správně zacházet s těmito elektronickými prvky spočívá ve znalosti algoritmu pro výběr konkrétního vzorku diody se zaměřením na data uvedená v referenčních manuálech.

Video

Usměrňovací dioda je elektronické zařízení určené k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný proud. Jedná se o dvouelektrodové zařízení, které má pouze jednostrannou (unipolární) elektrickou vodivost. Usměrňovací dioda z polovodičových materiálů a tzv. (při zapojení čtyř diod diagonálně po párech v jednom pouzdře) nahradila zapalovací a vakuovou diodu.

Účinek usměrnění střídavého proudu a jeho přeměny na stejnosměrný nastává na přechodu polovodič-kov, kov-polovodič, nebo v tzv. přechodu elektron-díra u některých krystalů (například křemík, germanium, selen, oxid měďný) . Takové krystaly často slouží jako základ zařízení.

Polovodičové usměrňovací diody se používají v radiotechnice, elektronických a elektrických zařízeních. Usměrnění je v podstatě přeměna střídavého proudu (napětí) na proud jedné polarity (pulzující stejnosměrný). Tento typ usměrnění v technologii je nezbytný pro otevírání a zavírání elektrických obvodů, spínání a detekci elektrických signálů a impulsů a pro mnoho dalších podobných transformací. Takové charakteristiky diody jako rychlost, stabilita parametrů, kapacita p-n přechodů nevyžadují žádné zvláštní požadavky.

Takové zařízení má určité elektrické parametry a charakteristiky diod:

Dopředné napětí při specifikované hodnotě proudu (převzato ;

Zpětný proud při dané hodnotě zpětného napětí a teploty;

Přípustné hodnoty amplitudy pro maximální zpětné napětí;

Průměrná hodnota dopředného proudu;

Hodnota frekvence bez snížení režimu;

Odpor.

Usměrňovací dioda je často zkrácena na jednoduše usměrňovač. Jako součást elektrického obvodu nabízí vysoký odpor vůči proudu tekoucímu jedním směrem a nízký odpor proudu tekoucímu v opačném směru. To je to, co způsobuje

Zařízení, jako je usměrňovací dioda, má poměrně nízkou pracovní frekvenci pro průmyslové použití takového zařízení, když přeměna střídavého proudu na stejnosměrný je 50 Hz. Za mezní kmitočet se považuje ne více než 20 kHz.

Usměrňovací diodu jako elektronické zařízení lze rozdělit do několika skupin podle hodnoty maximálního průměrného propustného proudu. Jedná se o nízkopříkonové diody (do 0,3 ampérů), středně výkonové diody (od 0,3 A do 10 A) a usměrňovací diody pro velké zatížení (výkonové) (více než deset ampérů).

Mezi hlavní parametry takového elektronického zařízení jako je usměrňovací dioda patří pracovní rozsah pro okolní teplotu (obvykle se pohybuje od -50 do +130 stupňů Celsia u nejběžnějšího typu diody - křemíkové) a maximální teplota pouzdra ( různé parametry, včetně závislosti na výkonu, účelu a výrobci).

Jedním z elektronických zařízení široce používaných v různých obvodech je usměrňovací dioda, pomocí které se střídavý proud přeměňuje na stejnosměrný. Jeho konstrukce je vytvořena ve formě dvouelektrodového zařízení s jednosměrnou elektrickou vodivostí. K usměrnění střídavého proudu dochází na přechodech kov-polovodič a polovodič-kov. Přesně stejného efektu je dosaženo u přechodů elektron-díra některých krystalů - germanium, křemík, selen. Tyto krystaly se v mnoha případech používají jako hlavní prvky zařízení.

Usměrňovací diody se používají v různých elektronických, rádiových a elektrických zařízeních. S jejich pomocí se uzavírají a otevírají obvody, detekují a spínají impulsy a elektrické signály, stejně jako další podobné transformace.

Princip činnosti usměrňovací diody

Každá dioda je vybavena dvěma vývody, tedy elektrodami - anodou a katodou. Anoda je připojena k p-vrstvě a katoda je připojena k n-vrstvě. V případě přímého zapojení diody jde plus anodě a mínus katodě. V důsledku toho začne diodou procházet elektrický proud.

Pokud je napájení proudem provedeno opačně - na anodu je aplikováno mínus a na katodu plus, získáte takzvané zpětné spínání diody. V tomto případě nebude protékat žádný proud, jak ukazuje charakteristika proud-napětí usměrňovací diody. Při příchodu na vstup tedy diodou projde pouze jedna půlvlna.

Prezentovaný obrázek jasně odráží proudově-napěťovou charakteristiku diody. Jeho přímá větev se nachází v prvním kvadrantu grafu. Popisuje diodu ve stavu vysoké vodivosti, když je na ni aplikováno propustné napětí. Tato větev je vyjádřena jako po částech lineární funkce u = U 0 + R D x i, ve které u představuje napětí na ventilu při průchodu proudu i. V souladu s tím jsou Uo a RD prahové napětí a dynamický odpor.

Třetí kvadrant obsahuje reverzní větev charakteristiky proud-napětí, indikující nízkou vodivost při přivedení zpětného napětí na diodu. V tomto stavu prakticky neprotéká polovodičovou strukturou žádný proud.

Tato poloha bude správná pouze do určité hodnoty zpětného napětí. V tomto případě může síla elektrického pole v oblasti pn přechodu dosáhnout úrovně 105 V/cm. Takové pole předává kinetickou energii elektronům a dírám - mobilním nosičům náboje - které mohou způsobit ionizaci neutrálních atomů křemíku.

Standardní struktura usměrňovací diody předpokládá přítomnost děr a vodivostních elektronů, které se neustále generují vlivem tvorby tepla v celém objemu struktury vodiče. Následně jsou urychlovány vlivem elektrického pole p-n přechodu. To znamená, že elektrony a díry se také účastní ionizace neutrálních atomů křemíku. V tomto případě se zpětný proud zvyšuje jako lavina a dochází k tzv. lavinové průrazy. Napětí, při kterém zpětný proud prudce vzroste, je na obrázku označeno jako průrazné napětí U3.

Základní parametry usměrňovacích diod

Při určování parametrů prvků usměrňovače je třeba vzít v úvahu následující faktory:

, maximální přípustné při usměrňování proudu, kdy zařízení ještě nemůže selhat.
Maximální hodnota průměrného usměrněného proudu.
Maximální zpětné napětí.

Usměrňovací zařízení jsou k dispozici v různých tvarech a lze je namontovat různými způsoby.

Podle fyzikálních vlastností jsou rozděleny do následujících skupin:

Vysoce výkonné usměrňovací diody, jejichž propustnost je až 400 A. Patří do vysokonapěťové kategorie a jsou k dispozici ve dvou typech pouzder. Pouzdro kolíku je vyrobeno ze skla a pouzdro tabletu je vyrobeno z keramiky.
Středně výkonné usměrňovací diody s kapacitou od 300 mA do 10 A.
Nízkopříkonové usměrňovací diody s maximálním jmenovitým proudem až 300 mA.

Při výběru konkrétního zařízení je nutné vzít v úvahu proudově napěťové charakteristiky zpětného a špičkového maximálního proudu, maximální přípustné propustné a zpětné napětí, průměrnou sílu usměrněného proudu a také materiál výrobku. a typ jeho instalace. Všechny hlavní vlastnosti usměrňovací diody a její parametry jsou vyznačeny na pouzdře ve formě symbolů. Označení prvků je uvedeno ve speciálních referenčních knihách a katalozích, což urychluje a usnadňuje jejich výběr.

Obvody využívající usměrňovací diody se liší počtem fází:

Jednofázové jsou široce používány v domácích elektrických spotřebičích, automobilech a zařízeních pro svařování elektrickým obloukem.
Vícefázové se používají v průmyslových zařízeních, speciální a veřejné dopravě.

V závislosti na použitém materiálu mohou být usměrňovací diody a diodové obvody germanium nebo křemík. Nejčastěji se používá druhá možnost, kvůli fyzikálním vlastnostem křemíku. Tyto diody mají při stejném napětí podstatně nižší zpětný proud, proto je přípustné zpětné napětí velmi vysoké, v rozmezí 1000-1500 voltů.

Pro srovnání, pro germaniové diody je tato hodnota 100-400 V. Křemíkové diody zůstávají funkční v teplotním rozsahu od -60 do + 150 stupňů a germaniové diody - pouze v rozsahu od -60 do + 850C. Při teplotách přesahujících tuto hodnotu se vysokou rychlostí tvoří páry elektron-díra, což vede k prudkému nárůstu zpětného proudu a snížení účinnosti usměrňovače.

Připojovací obvod usměrňovací diody

Nejjednodušší usměrňovač pracuje podle následujícího schématu. Vstup je napájen střídavým síťovým napětím s kladnými a zápornými půlcykly, zbarvenými červeně a modře. Na výstupu je připojena běžná zátěž RH a usměrňovacím prvkem bude dioda VD.

Když jsou na anodu aplikovány kladné půlcykly napětí, dioda se otevře. Během této doby bude diodou a zátěží napájenou z usměrňovače protékat stejnosměrný diodový proud Ipr. Na grafu vpravo je tato vlna označena červeně.

Když se na anodu přivedou záporné půlcykly napětí, dioda se uzavře a celým obvodem začne protékat mírný zpětný proud. V tomto případě je záporná půlvlna střídavého proudu přerušena diodou. Tato odříznutá půlvlna je označena modrou přerušovanou čarou. Ve schématu je symbol pro usměrňovací diodu stejný jako obvykle, pouze symboly VD jsou umístěny nad symbolem.

V důsledku toho již nebude protékat střídavý proud, ale pulzující proud jednoho směru zátěží připojenou přes diodu do sítě. Ve skutečnosti se jedná o usměrněný střídavý proud. Toto napětí je však vhodné pouze pro zátěže s nízkým výkonem napájené střídavým proudem. Mohou to být žárovky, které nevyžadují zvláštní podmínky napájení. V tomto případě bude napětí procházet lampou pouze během pulzů - pozitivních vln. Dochází k mírnému blikání lampy s frekvencí 50 Hz.

Když je stejné napětí připojeno k přijímači nebo výkonovému zesilovači, ozve se z reproduktoru nebo reproduktorů nízké hučení 50 Hz, známé jako AC brum. V těchto případech se zařízení začne „zanášet“. Za příčinu tohoto stavu se považuje pulzující proud procházející zátěží a vytvářející v ní pulzující napětí. To je to, co vytváří pozadí.

Tato nevýhoda je částečně eliminována připojením filtračního elektrolytického kondenzátoru Sf s velkou kapacitou paralelně k zátěži. Během kladných půlcyklů se nabíjí proudy a při záporných půlcyklech se vybíjí pomocí RH zátěže. Velká kapacita kondenzátoru umožňuje udržovat nepřetržitý proud napříč zátěží během všech půlcyklů – kladných i záporných. Na grafu je takový proud plná zvlněná červená čára.

Tento vyhlazený proud však stále neposkytuje normální provoz, protože polovina vstupního napětí je ztracena během usměrňování, když je použit pouze jeden poloviční cyklus. Tento nedostatek je kompenzován výkonnými usměrňovacími diodami sestavenými dohromady do tzv. diodového můstku. Tento obvod se skládá ze čtyř prvků, které umožňují průchod proudu během všech půlcyklů. Díky tomu je přeměna střídavého proudu na stejnosměrný mnohem efektivnější.

Princip činnosti a hlavní charakteristiky polovodičových usměrňovacích diod lze uvažovat pomocí jejich proudově napěťové charakteristiky (CVC), která je schematicky znázorněna na obrázku 1. Obr.

Má dvě větve odpovídající dopřednému a zpětnému zapojení diody.

Při přímém zapojení usměrňovací diody jí při dosažení určitého napětí Uopen na diodě začne protékat znatelný proud. Tento proud se nazývá přímý Ipr. Jeho změny mají malý vliv na napětí Uopen, takže pro většinu výpočtů lze jeho hodnotu přijmout:

0,7 V pro křemíkové diody,
0,3 V - pro germanium.

Proud diody samozřejmě nelze donekonečna zvyšovat, při určité hodnotě Ipr.max tato polovodičová součástka selže. Mimochodem, polovodičové diody mají dvě hlavní poruchy:

průraz - dioda začne vést proud v libovolném směru, to znamená, že se stane obyčejným vodičem. Navíc nejprve dojde k tepelnému průrazu (tento stav je vratný), poté k elektrickému průrazu (po kterém lze diodu bezpečně vyhodit),
přestávka - tady si myslím, že vysvětlování je zbytečné.

Pokud je dioda zapojena v opačném směru, bude jí protékat nevýznamný zpětný proud Irev, který lze zpravidla zanedbat. Po dosažení určité hodnoty zpětného napětí Urev se zpětný proud prudce zvýší a zařízení opět selže.

Číselné hodnoty uvažovaných parametrů pro každý typ diody jsou individuální a jsou jejími hlavními elektrickými charakteristikami. Podotýkám, že existuje řada dalších parametrů (vlastní kapacita, různé teplotní koeficienty atd.), ale pro začátek postačí ty uvedené.

Zde navrhuji skončit čistou teorií a zvážit některá praktická schémata.

SCHÉMA ZAPOJENÍ DIODY

Nejprve se podívejme, jak funguje dioda v přímém (obr. 2) a střídavém (obr. 3) obvodu, což je třeba vzít v úvahu při zapínání diod tak či onak.

Když je na diodu přivedeno stejnosměrné napětí, začne jí protékat proud určený odporem zátěže Rн. Protože by neměla překročit maximální přípustnou hodnotu, měla by být určena její hodnota a poté by měl být zvolen typ diody:

Ipr = Un/Rn – je to jednoduché – to je Ohmův zákon.

Un=U-Uopen - viz začátek článku. Někdy lze hodnotu Uopen zanedbat, jsou případy, kdy je třeba ji zohlednit např. při výpočtu schématu zapojení LED.

To je to nejdůležitější, co je třeba si zapamatovat.

Nyní - několik schémat pro připojení diod, které se často vyskytují v praxi.

Bezpochyby zde vede obvod diodového můstku, který se používá ve všech druzích usměrňovačů (obrázek 4). Může to vypadat jinak, princip fungování je stejný, myslím, že z nákresu je vše jasné. Mimochodem, poslední možností je symbol pro diodový můstek jako celek. Slouží ke zjednodušení označení dvou předchozích schémat.

Diody mohou fungovat jako "oddělovací" prvky. Řídicí signály Control1 a Control2 jsou kombinovány v bodě A a nedochází k vzájemnému ovlivňování jejich zdrojů na sebe. Mimochodem, toto je nejjednodušší verze implementace logického obvodu „nebo“.
Ochrana proti přepólování (slangově - „ochrana před hlupáky“). Pokud existuje možnost nesprávného připojení polarity napájecího napětí, tento obvod chrání zařízení před poruchou.
Automatický přechod na napájení z externího zdroje. Protože se dioda „otevře“, když napětí na ní dosáhne Uopen, pak když Uext napájení je napájeno z vnitřního zdroje, jinak je připojen externí.

Všechny materiály prezentované na této stránce slouží pouze pro informační účely a nelze je použít jako pokyny nebo regulační dokumenty.

Usměrňovací dioda je dioda založená na polovodičovém materiálu, která je určena k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný. Je pravda, že rozsah použití těchto rádiových komponent není omezen na tuto funkci: používají se pro spínání v silnoproudých obvodech, kde neexistuje přísná regulace časových a frekvenčních parametrů elektrického signálu.

Klasifikace

V souladu s hodnotou propustného proudu, která je maximální přípustná, může mít usměrňovací dioda nízký, střední a vysoký výkon:

malý - usměrnit stejnosměrný proud do 300 mA;
středně výkonné usměrňovací diody - od 300 mA do 10 A;
velký - více než 10 A.

Germanium nebo křemík

Na základě použitých materiálů jsou to křemík a germanium, šířeji se však používají křemíkové usměrňovací diody kvůli jejich fyzikálním vlastnostem.

Jejich zpětné proudy jsou několikanásobně menší než u germaniových, přičemž napětí je stejné. To umožňuje dosáhnout velmi vysokých přípustných zpětných napětí v polovodičích, které mohou být až 1000-1500 V. U germaniových diod je tento parametr v rozmezí 100-400 V.

Křemíkové diody jsou schopny zůstat v provozu v teplotním rozsahu od -60 ºС do +150 ºС a germaniové diody - pouze od -60 ºС do +85 ºС. To se děje proto, že když teplota stoupne nad 85 ºС, počet vytvořených párů elektron-díra dosáhne takových hodnot, že zpětný proud prudce vzroste a usměrňovač přestane efektivně fungovat.

Technologie výroby

Konstrukce usměrňovací diody je plátek polovodičového krystalu, v jehož těle jsou dvě oblasti s různou vodivostí. To je důvod, proč se nazývají planární.

Polovodičové usměrňovací diody se vyrábějí takto: v oblasti polovodičového krystalu s vodivostí typu n se taví hliník, indium nebo bor a v oblasti krystalu s vodivostí typu p se taví fosfor.

Při vystavení vysokým teplotám jsou tyto dvě látky pevně spojeny s polovodičovou bází. Kromě toho atomy těchto materiálů difundují do krystalu a vytvářejí oblast s převážně elektronovou nebo dírkovou vodivostí. V důsledku toho se vytvoří polovodičové zařízení, které má dvě oblasti s různými typy elektrické vodivosti a mezi nimi se vytvoří p-n přechod. To je princip činnosti velké většiny planárních diod vyrobených z křemíku a germania.

Design

Za účelem organizace ochrany před vnějšími vlivy a dosažení spolehlivého odvodu tepla je v pouzdře namontován krystal s p-n přechodem.
Diody s nízkým výkonem jsou vyráběny v plastovém pouzdře, vybaveném flexibilními vnějšími přívody. Středně výkonné usměrňovací diody mají sklo-kovové pouzdro s pevnými vnějšími vývody. Díly s vysokým výkonem jsou umístěny v kov-skleněném nebo kovokeramickém pouzdře.

Krystaly křemíku nebo germania s pn přechodem jsou připájeny k držáku krystalu, který zároveň slouží jako základ pouzdra. K němu je přivařeno těleso se skleněným izolantem, kterým prochází výstup jedné z elektrod.

Nízkopříkonové diody, které mají relativně malé rozměry a hmotnost, mají ohebné vývody, přes které se montují do obvodů.

Protože proudy, se kterými pracují polovodiče středního výkonu a vysoce výkonné usměrňovací diody, dosahují značných hodnot, jsou jejich vývody mnohem výkonnější. Jejich spodní část je vyrobena v podobě masivní základny odvádějící teplo, opatřené šroubem a rovnou vnější plochou, která je navržena tak, aby zajistila spolehlivý tepelný kontakt s vnějším radiátorem.

Charakteristika

Každý typ polovodiče má své vlastní provozní a omezující parametry, které se volí tak, aby byl zajištěn provoz v jakémkoliv obvodu.

Parametry usměrňovacích diod:

Já rovnou max- stejnosměrný proud, který je maximálně přípustný, A.
U návrat max- zpětné napětí, které je maximální přípustné, V.
vracím se- konstanta zpětného proudu, µA.
U rovně- stejnosměrné napětí konstanta, V.
Provozní frekvence, kHz.
Provozní teplota, S.
P max- výkon rozptýlený diodou, který je maximálně přípustný.

Charakteristiky usměrňovacích diod nejsou tímto výčtem zdaleka vyčerpány. Obvykle však postačí k výběru dílu.

Obvod nejjednoduššího střídavého usměrňovače

Podívejme se, jak funguje obvod (hlavní roli v něm hraje usměrňovací dioda) primitivního usměrňovače.

Na jeho vstup je přivedeno střídavé síťové napětí s kladnými a zápornými půlcykly. Na výstup usměrňovače je připojena zátěž (zátěž R) a funkci prvku usměrňujícího proud plní dioda (VD).

Kladné půlcykly napětí aplikovaného na anodu způsobí otevření diody. V této době jím protéká stejnosměrný proud (I usměrňuji), a tedy i zátěží (R zátěž), která je napájena z usměrňovače.

Záporné půlcykly napětí aplikovaného na anodu diody způsobí její uzavření. Obvodem protéká malý proud reverzní diody (I reverzní). Zde dioda přeruší zápornou půlvlnu střídavého proudu.

V důsledku toho se ukazuje, že pulzující, spíše než střídavý proud jednoho směru, nyní prochází zátěží připojenou k síti (zátěž R) přes diodu (VD). Může totiž probíhat výhradně v kladných půlcyklech. To je význam usměrnění AC.

Takové napětí však může napájet pouze zátěž s nízkým výkonem, která je napájena ze sítě střídavého proudu a nemá vážné požadavky na napájení, například žárovku.

Lampa bude přenášet napětí pouze při průchodu kladných impulsů, v důsledku čehož elektrický spotřebič podléhá mírnému blikání o frekvenci 50 Hz. Je pravda, že vzhledem k tomu, že závit podléhá tepelné setrvačnosti, nebude schopen v intervalech mezi impulsy zcela vychladnout, což znamená, že blikání bude téměř nepostřehnutelné.

Je-li takové napětí přivedeno na zesilovač nebo napájecí přijímač, bude z reproduktoru slyšet nízkofrekvenční zvuk (50 Hz), který se nazývá AC brum. K tomuto efektu dochází, protože pulzující proud při průchodu zátěží v něm indukuje pulzující napětí, které generuje brum.

Tato nevýhoda je do určité míry eliminována, pokud je paralelně se zátěží zapojen filtrační kondenzátor (C filtr), jehož kapacita je značně velká.

Kondenzátor bude nabíjen proudovými impulsy během kladných půlcyklů a vybíjen zátěží (zátěž R) během záporných půlcyklů. Pokud je kapacita kondenzátoru dostatečná, nestihne se během doby, která uplyne mezi dvěma proudovými impulsy, úplně vybít, a proto bude na zátěži konstantní proud (zátěž R).

Ale ani při takto relativně hladkém proudu by zátěž neměla být napájena, protože bude nadále generovat šum, protože velikost vlnění (U puls.) je stále dost vážná.

Nedostatky

Usměrňovač, o kterém jsme právě hovořili, využívá ve svůj prospěch pouze polovinu vln střídavého proudu, což má za následek ztrátu více než poloviny vstupního napětí. Tento typ střídavého usměrnění se nazývá půlvlnný a usměrňovače, které tento typ usměrnění používají, se nazývají půlvlnné. Nevýhody půlvlnných usměrňovačů se podařilo odstranit u usměrňovačů využívajících diodový můstek.

Diodový můstek

Diodový můstek je kompaktní obvod, který se skládá ze čtyř diod a slouží k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný. Můstkový obvod umožňuje průchod proudu v každém půlcyklu, čímž se příznivě odlišuje od obvodu půlvlnného. Diodové můstky se vyrábějí ve formě malých sestav, které jsou uzavřeny v plastovém pouzdře.

Na výstupu pouzdra takové sestavy jsou čtyři kolíky označené „+“, „ — "nebo" ~ “ s uvedením účelu kontaktů. Diodové můstky se však také nenacházejí v sestavě, často se montují přímo na desku plošných spojů připojením čtyř diod. Usměrňovač, který se provádí na diodovém můstku, se nazývá full-wave.