Причиной написания цикла статей про диоды, их структуру и полупроводники, стали стажеры, принятые на работу в нашей мастерской. И несмотря на то что они входили в пятерку лучших студентов своей группы, в теории и практике применения полупроводников и диодов в частности - у них большие провалы.
Поэтому периодически, по мере обострения некоторых технических вопросов, приходится проводить лекции, прям в мастерской, благо материал давно был подготовлен для преподавания в местном колледже и есть некий опыт проведения таких мероприятий.
Видео версию этой статьи можно посмотреть по ссылке:
Однополупериодный выпрямитель
Однополупериодный выпрямитель – выпрямитель с использованием только одного полупериода сетевого напряжения, прост в исполнении, требует минимального количества деталей, однако имеет ряд недостатков – большую величину пульсации, одностороннее намагничивание трансформатора, в двое большее обратное напряжение на диоде чем величина выходного напряжения. Что обуславливает её использование в маломощных узлах цепей питания, детектирования сигналов и т.д. Фактически диод отсекает одну полуволну сетевого напряжения, формируя на выходе, напряжение представленное оставшейся полуволной.
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой – данная схема включения отличается большей сложностью, требует двух обмоток трансформатора, так же требуется применять диоды из расчёта обратного напряжения вдвое большегочем выходное. При этом используются оба полупериода сетевого напряжения, значительно ниже пульсации, т.к. на выходе схемы выпрямителя, частота следования полупериодов в двое выше, чем у однополупериодного выпрямителя. В ней ток положительного полупериода протекает через диод D1, а отрицательного через D2, что позволяет получить вдвое меньшие потери чем при использовании диодного моста. Данная схема широко применяется когда падение напряжения в 1,2…2 В (как у диодного моста) вносит слишком большие потери мощности, т.е. это критически важно в устройствах с напряжением менее 20В, где потери могут быть больше 10% при применении мостовой схемы, в то время как схема со средней точкой, даёт потери в двое меньше, т.е. около 5%.
Двухполупериодный выпрямитель на диодном мосте
Двухполупериодный выпрямитель на диодном мосте – для работы этой схемы требуется одна обмотка трансформатора, но вдвое больше диодов. Во время положительного полупериода ток протекает по цепи: VD1->Rн->VD3. Во время отрицательного полупериода: VD2 ->Rн ->VD4, причём направление тока через Rн не меняется.
Схема с диодным мостом имеет ряд преимуществ перед однополупериодной схемой, и двухполупериодной со средней точкой:
- Используются оба полупериода сетевого напряжения, что не приводит к намагничиванию трансформатора.
- Требуется одна обмотка сетевого трансформатора
- Обратное напряжение на диоде равно выходному напряжению выпрямителя, а не вдвое большему как у прочих схем.
- Меньший уровень пульсаций, чем в однополупериодном выпрямителе.
Но есть и свои недостатки:
- Требуется в двое больше диодов, чем в выпрямителе со средней точкой, и в четверо больше чем в однополупериодном.
- Потери на диодах выпрямителя в двое больше, так как ток одного полупериода всегда последовательно проходит через два диода, и суммарное падение напряжения на выпрямителе в двое больше чем в прочих схемах.
Высоковольтные диоды, диодные столбы, последовательное включение диодов
Высоковольтные диоды, диодные столбы, последовательное включение диодов – при необходимости выпрямлять напряжение в тысячи и десятки тысяч вольт, одиночные диоды не позволяют выполнить такую задачу. Большая часть диодов имеет предел обратного напряжения в 1200…1500В. Для выпрямления больших напряжений применяют последовательное включение диодов. Однако в виду разброса величины обратного тока диодов, в запертом состоянии сопротивление каждого диода отличается в десятки раз, что приведёт к не равномерному распределению обратного напряжения по стойке диодов, т.е. из 5000 В, на какой то из 5-ти диодов придётся 500В, а на какой то 1500В, что приведет к пробою последнего и выходу из строя всей схемы.
Для исправления данной ситуации, параллельно каждому диоду ставится по высоковольтному, высокоомному шунтирующему резистору, уравнивающему сопротивление каждого диода диодного столба, за счет того что сопротивление резисторов много меньше сопротивления обратно смещённого p-n перехода, но суммарное сопротивление резисторов всё равно образует цепь с не значительным током, которым можно пренебречь.
Для компенсации разности скорости восстановления диодов в диодном столбе, вводят дополнительные шунтирующие конденсаторы параллельно диодам диодного столба, а для ограничения тока их заряда, последовательно с конденсаторами устанавливают резисторы небольшого сопротивления (10…100 Ом). Это позволяет сравнять время обратного восстановления у диодов, тем самым не допустив пикового перенапряжения при переключении самого быстрого из них.
Промышленностью выпускаются законченные изделия в закрытом корпусе, представляющие из себя высоковольтные диоды, такие применяются в СВЧ, и содержат в своём корпусе до нескольких десятков диодов вместе с шунтами.
Ниже приведён пример тех документации для серии таких диодов:
Параллельное включение диодов
Параллельное включение диодов – применяется при необходимости выпрямления напряжения с током нагрузки большим, чем способен выдержать один диод. При этом если не принять дополнительные меры, разница в падении напряжения на параллельно включенных диодах, приведет к тому, что при одинаковом падении напряжения, через разные диоды течёт разный ток, при этом тот диод, через который течёт больший ток станет сильнее нагреваться, его прямое падение напряжение а значит и сопротивление открытого перехода уменьшается, что приводит к ещё большему увеличению тока через него, с соответствующим уменьшением тока через другие, и снова увеличивается температура кристалла и т.д. развивается процесс который приведёт к тепловому пробою и разрушению диода.
Дабы устранить такой эффект, последовательно с каждым диодом включается добавочное сопротивление, с величиной соизмеримой дифференциальному сопротивлению диода в рабочей точке при прямом смещении (десятые доли ома). Это сопротивление не зависит от температуры, благодаря чему разброс параметров диодов уже не вносит такого значительного вклада в падение напряжения на каждой секции, т.е. токи через каждую ветви отличаются не значительно.