Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста является

С целью получения постоянного тока из переменного применяются мостовые выпрямители. Данные устройства рассчитаны на использование определённых входных параметров и создают ток и напряжение, соответствующие требованиям того прибора, который должен быть подключён.

Использование постоянного и переменного тока

В электротехнике может использоваться как постоянный, так и переменный ток. Его выбор зависит от оборудования, которому нужно строго определённое питание. Также при производстве электроэнергии в одних случаях получают переменное, в других постоянное напряжение, что определяется способом, с помощью которого это осуществляется. В дальнейшем оно преобразуется в нужный вид.

При транспортировке выгоднее передавать переменный ток. Когда он поступает в бытовые розетки, то имеет частоту 50 Гц. Напряжение при этом составляет 220 Вольт. В разных странах эти параметры могут отличаться друг от друга. Для промышленного оборудования чаще используется переменный ток.

Когда для определённого устройства требуется постоянный ток, применяется мостовой выпрямитель. Иногда он бывает необходим только для отдельных узлов оборудования. В этом случае схемы выпрямления являются частью соответствующего устройства.

Особенности переменного тока

Параметры переменного тока и напряжения изменяются в соответствии с синусоидальным законом. Сначала с максимального значения до нуля, затем меняют знак и начинают расти по абсолютной величине.

После достижения максимального отрицательного значения они изменяются в обратном направлении. Этот процесс происходит циклически. Изменения тока обуславливают создание переменного магнитного поля, оказывающего влияние на электрические процессы устройства.

В некоторых случаях синусоидальный ток необходимо выпрямить.

Принцип действия выпрямителя

Сначала переменный ток необходимо преобразовать так, чтобы получить нужные параметры тока и напряжения. Для этой цели используют трансформатор. Он представляет собой рамку из ферромагнетика, на которой имеется две обмотки. На первую поступает переменный ток от сети питания. Со второй снимаются ток и напряжение, соответствующие необходимым параметрам.

Выпрямление происходит в два этапа. На первом вместо синусоидального сигнала получают тот, который имеет только положительные полупериоды. На втором происходит выпрямление с помощью использования конденсаторов.

При этом на их пластины поступает переменный сигнал, а затем разряд конденсатора осуществляет его сглаживание.

Существуют различные виды выпрямителей, но их общий принцип работы в значительной степени соответствует приведённому описанию.

Классификация выпрямителей

Их можно разделять по различным признакам. Далее перечислены наиболее популярные виды классификаций:

• По количеству используемых в работе полупериодов. На начальном этапе преобразования получают график электрического сигнала, у которого нет отрицательных полупериодов. Это делают одним из двух способов. В однополупериодных выпрямителях их просто убирают, а в двухполупериодных вместо отрицательных получают такие же, но положительные. В последнем случае качество выпрямления будет выше.
• В выпрямителях обычно используется трансформатор, но в некоторых схемах он может не применяться. Это практикуется, когда нет необходимости проводить предварительное преобразование напряжения и тока.
• Схема выпрямителя может включать диодный мост или же работать без него.
• Существуют выпрямители, умножающие электронапряжение. При их использовании значение выходного выпрямленного напряжения может быть больше входного в несколько раз. Такой эффект обычно достигается за счёт одновременной разрядки нескольких конденсаторов.
• Рассматриваемые устройства различаются в зависимости от того, со сколькими фазами они способны работать. Наиболее распространенными являются однофазный мостовой выпрямитель и трёхфазный мостовой выпрямитель, но они также могут быть двух- и N-фазные.
• Существуют различные типы схем. Наибольшее распространение получили диодные, но также используются полупроводниковые, тиристорные, механические, вакуумные и другие.
• Имеет значение вид пропускаемой волны. Исходя из этого параметра, устройства могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными.

Для каждого вида выпрямителей важно учитывать качество выпрямления тока. Его вид выбирают так, чтобы получить сигнал с необходимыми параметрами.

Что собой представляет мостовой выпрямитель

Такие выпрямители характеризируются наличием диодного моста. Они преобразовывают входной синусоидальный сигнал в такой, который не имеет отрицательных полупериодов. Это можно сделать различными способами, от выбора которых зависит качество работы выпрямительного моста.

Схема мостового выпрямителя строится на использовании диодов. В этих радиодеталях применяются полупроводники p-типа и n-типа. Если через них проходит сигнал определённой полярности, то он пропускается без изменений. Если знак меняется, на выходе получается нулевой ток.

Существуют различные варианты мостовых схем. Самая простая — однофазная мостовая схема выпрямления. Ее использование обеспечивает на выходе положительные полупериоды, разделённые нулевыми участками. Мостовой однофазный выпрямитель выполняет выпрямление невысокого качества.

При использовании более сложных диодных мостов можно получить сигнал, в котором отрицательные импульсы заменены такими же, но положительными. Выпрямительный мост с четырьмя диодами обеспечивает на выходе сигнал удвоенной частоты.

Мостовой трехфазный выпрямитель, схема которого включает три диодных моста, расположенных параллельно, позволяет получать наиболее высокое качество выпрямления.

Виды мостовых выпрямителей

Диодные мосты различаются между собой качеством выпрямления и другими характеристиками.

Однополупериодный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя считается наиболее простой. С ее помощью получают низкокачественное выпрямление с большим количеством гармоник.

В схеме не используется трансформатор. Диод применяется только один. Отсутствует сглаживание с помощью конденсаторов. Результатом работы выпрямителя является появление положительных импульсов и стирание отрицательных. Несмотря на относительно низкое качество работы, такие схемы все же находят своё применение.

Один из примеров — управляемый выпрямитель. Переключатель позволяет выбирать один из двух режимов: яркий или тусклый. В последнем случае ток пройдёт через однополупериодный мостовой выпрямитель. При этом интенсивность освещения будет снижена.

Особенности двухполупериодного выпрямителя

В двухполупериодной схеме присутствует трансформатор. Сигнал после него поступает в выпрямительный мост, где его отрицательные полупериоды заменяются положительными.

Принцип действия устройства основывается на использовании средней точки при подсоединении ко вторичной обмотке. В результате через один из диодов выпрямительного моста проходит положительный сигнал, а через второй — отрицательный. Недостаток данной схемы заключается в использовании трансформаторного устройства со средней точкой, которое может не всегда быть в наличии.

Использование четырёхдиодного моста

Выпрямитель такого вида обеспечивает высокое качество выходного сигнала. Мост, схема которого включает четыре диода, позволяет получать выходной положительный импульс на каждом полупериоде.

Чтобы понять работу четырехдиодного моста, необходимо изучить, как она функционирует на каждом полупериоде. Сначала рассмотрим, как работает схема при условии, что на верхнем проводе положительный потенциал, а на нижнем отрицательный.

Направление стрелок указывает движение от минуса к плюсу. Для управления током используется два диода: левый нижний и правый верхний. Два другие закрыты.

Теперь изменим знак потенциала на проводах: на нижнем будет положительный, а на верхнем отрицательный. В данном случае рабочими будут левый верхний и правый нижний диоды. Остальные два на протяжении рассматриваемого времени остаются закрытыми.

На рисунках выше представлена традиционная форма схемы выпрямителя. Существует эквивалентная схема, которая для некоторых может быть более удобной при определении работающих диодов.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

В быту в основном используются однофазные устройства. Если требуется подключить мощное оборудование, а в производственных условиях часто возникает такая необходимость, то используют трёхфазное питание. В этом случае трехфазная мостовая схема будет выглядеть таким образом:

В этом устройстве каждая фаза подключена к своей паре диодов. Если проходит положительный импульс, то он открывает диод, расположенный справа и закрывает тот, который находится слева. При прохождении отрицательного импульса происходит следующее: открывается диод, находящийся слева и закрывается расположенный справа.

Таким образом, независимо от того, с каким знаком приходит импульс, он преобразуется на выходе в положительный. График, полученного на выходе сигнала, выглядит следующим образом:

Выбор диодного моста

При выборе диодного моста необходимо обращать внимание на следующие его характеристики:

• Корпус, в котором он смонтирован. Мост можно сделать из отдельных диодов, но более удобно воспользоваться уже готовым, который находится в специальном корпусе.
• Коэффициент пульсаций. Так называют отношение амплитуды поступающего сигнала к величине выпрямленного.
• Максимальный ток. Через каждую схему может проходить определенного значения. Он должен соответствовать условиям эксплуатации узла.
• Нужно учитывать, рассчитано ли устройство на однофазное или трёхфазное напряжение.
• Существуют требования к величине обратного напряжения. Если его превысить, то может произойти пробой диодов, которые входят в состав моста. Эта деталь не должна пропускать отрицательные импульсы, однако если напряжение будет слишком большим, то произойдёт разряд, который сделает диод неисправным.

Проведение расчётов

Эффективно работающий выпрямитель должен соответствовать определенным требованиям. В частности речь идёт о выходном токе, выпрямленном напряжении, максимальном значении обратного напряжения для используемых диодов.

Чтобы построить хорошо работающую схему, необходимо грамотно рассчитать ее параметры. Для примера рассмотрим диаграмму и расчет однополупериодного выпрямителя.

• Как видно из графиков, входное электронапряжение изменяется по закону синусоиды. В этом случае расчет среднего значения выполняется по формуле:
• Действующее значение входного напряжения определяется следующим образом:

Далее рассчитываем значение силы электротока на выходе выпрямителя и на вторичной обмотке трансформатора. Последняя формула позволяет определить коэффициент пульсации.

К недостаткам однополупериодного выпрямителя относят высокий коэффициент пульсации. Более качественный выходной сигнал даёт двухполупериодный мост с выводом от средней точки трансформатора.

1. Расчет двухполупериодного моста выполняется с помощью следующих формул:
2. Достоинствами двухполупериодной схемы являются вдвое большие выходные ток и напряжение, а также значительно меньший коэффициент пульсации.

Видео по теме

Схема диодного моста выпрямителя: принцип действия, обозначения на схеме, проверка исправности

Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).

Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны.

Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем.

Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.

Примешанные атомы начинают образовывать, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка.

В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа.

В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.

В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.

Принцип работы диода

Диод — это полупроводниковый прибор, имеющий малое сопротивление для тока в одном направлении, и препятствующий его прохождению в обратном. Физически диод состоит из одного p-n перехода. Конструктивно представляет собой элемент, содержащий два вывода. Вывод, подключённый к p-области, называется анодом, а соединённый с n-областью — катодом.

При работе диода существует три его состояния:

• сигнал на выводах отсутствует;
• он находится под действием прямого потенциала;
• он находится под действием обратного потенциала.

Прямым потенциалом называется такой сигнал, когда плюсовой полюс источника питания подключён к области p-типа полупроводника, другими словами, полярность внешнего напряжения совпадает с полярностью основных носителей. При обратном потенциале отрицательный полюс подключён к p-области, а положительный к n.

В области соединения материала n- и p-типа существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов и находится в уравновешенном состоянии. Высота барьера не превышает десятые доли вольта и препятствует продвижению носителей заряда вглубь материала.

Если к прибору подключено прямое напряжение, то величина потенциального барьера уменьшается и он практически не оказывает сопротивление протеканию тока.

Его величина возрастает и зависит только сопротивления p- и n- области. При прикладывании обратного потенциала, величина барьера увеличивается, так как из n-области уходят электроны, а из p-области дырки.

Слои обедняются и сопротивление барьера прохождению тока возрастает.

Основным показателем элемента является вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость между приложенным к нему потенциалом и током, протекающим через него. Представляется эта характеристика в виде графика, на котором указывается прямой и обратный ток.

Синусоидальное напряжение представляет собой периодический сигнал, изменяющийся во времени. С математической точки зрения он описывается функцией, в которой начало координат соответствует времени равным нулю. Сигнал состоит из двух полуволн. Находящаяся полуволна в верхней части координат относительно нуля называется положительным полупериодом, а в нижней части — отрицательным.

При подаче переменного напряжения на диод через подключённую к его выводам нагрузку, начинает протекать ток.

Этот ток обусловлен тем, что в момент поступления положительного полупериода входного сигнала диод открывается. В этом случае к аноду прикладывается положительный потенциал, а к катоду отрицательный.

При смене волны на отрицательный полупериод диод запирается, так как меняется полярность сигнала на его выводах.

Таким образом, получается, что диод как бы отрезает отрицательную полуволну, не пропуская её на нагрузку и на ней появляется пульсирующий ток только одной полярности. В зависимости от частоты приложенного напряжения, а для промышленных сетей она составляет 50 Гц, изменяется и расстояние между импульсами. Такого вида ток называется выпрямленным, а сам процесс —однополупериодным выпрямлением.

Выпрямляя сигнал, используя один диод, можно питать нагрузку, не предъявляющую особых требований к качеству напряжения. Например, нить накала. Но если запитать, например, приёмник, то появится низкочастотный гул, источником которого и будет промежуток, возникающий между импульсами.

В некоторой мере для избавления от недостатков однополупериодного выпрямления совместно с диодом применяется параллельно включённый нагрузке конденсатор. Этот конденсатор будет заряжаться при поступлении импульсов и разряжаться при их отсутствии на нагрузку.

А значит, чем больше значение ёмкости конденсатора, тем ток на нагрузке будет более сглажен.

Но наибольшего качества сигнала возможно достичь, если использовать для выпрямления одновременно две полуволны. Устройство, позволяющее это реализовать, получило название диодный мост, или по-другому — выпрямительный.

Диодный мост

Такое устройство представляет собой электрический прибор, служащий для преобразования переменного тока в постоянный. Словосочетание «диодный мост» образуется из слова «диод», что предполагает использование в нём диодов. Схема диодного моста выпрямителя зависит от сети переменного тока, к которой он подключается. Сеть может быть:

В зависимости от этого и выпрямительный мост называется мостом Гретца или выпрямителем Ларионова. В первом случае используется четыре диода, а во втором прибор собирается уже на шести.

Первая схема выпрямительного прибора собиралась на радиолампах и считалась сложным и дорогим решением. Но с развитием полупроводниковой техники диодный мост полностью вытеснил альтернативные способы выпрямления сигнала. Вместо диодов редко, но ещё применяются селеновые столбы.

Конструкции и характеристики прибора

Конструктивно выпрямительный мост выполняется из набора отдельных диодов или литого корпуса, имеющего четыре вывода. Корпус может быть плоского или цилиндрического вида.

По принятому стандарту, значками на корпусе прибора отмечаются выводы подключения переменного напряжения и выходного постоянного сигнала. Выпрямители, имеющие корпус с отверстием, предназначены для крепления на радиатор.

Основными характеристиками выпрямительного моста являются:

1. Наибольшее прямое напряжение. Это максимальная величина, при которой параметры прибора не выходят за границы допустимых.
2. Наибольшее допустимое обратное напряжение. Это максимальное импульсное напряжение, при котором мост длительно и надёжно работает.
3. Наибольший рабочий ток выпрямления. Обозначает средний ток, протекающий через мост.
4. Максимальная частота. Частота подаваемого на мост напряжения, при которой прибор работает эффективно и не превышает допустимый нагрев.

Превышение значений характеристик выпрямителя приводит к резкому сокращению срока его службы или пробою p-n переходов. Необходимо отметить такой момент, что все параметры диодов указываются для температуры окружающей среды 20 градусов.

К недостаткам применения мостовой схемы выпрямления относят большее падение напряжения, по сравнению с однополупериодной схемой, и более низкое значение коэффициента полезного действия.

Для уменьшения величины потерь и снижения нагрева мосты часто изготавливают с применением быстрых диодов Шотки.

Схема подключения устройства

На электрических схемах и печатных платах диодный выпрямитель обозначается в виде значка диода или латинскими буквами. Если выпрямитель собран из отдельных диодов, то рядом с каждым ставится обозначение VD и цифра, обозначающая порядковый номер диода в схеме. Редко используются надписи VDS или BD.

Диодный выпрямитель может подключаться напрямую к сети 220 вольт или после понижающего трансформатора, но схема включения его остаётся неизменной.

При поступлении сигнала в каждом из полупериодов ток сможет протекать только через свою пару диодов, а противоположная пара будет для него заперта. Для положительного полупериода открытыми будут VD2 и VD3, а для отрицательного VD1 и VD4.

В итоге на выходе получится постоянный сигнал, но его частота пульсации будет увеличена в два раза. Для того чтобы уменьшить пульсацию выходного сигнала, используется, как и в случае с одним диодом, параллельное включение конденсатора С1.

Такой конденсатор ещё называют сглаживающим.

Но случается так, что диодный мост ставится не только в переменную сеть, но и подключается в уже выпрямленную. Для чего нужен диодный мост в такой цепи, станет понятно, если обратить внимание в каких схемах используется такое его включение.

Эти схемы связаны с использованием чувствительных радиоэлементов к переполюсовке питания. Использование моста позволяет осуществить простую, но эффективную защиту «от дурака».

В случае ошибочного подключения полярности питания радиоэлементы, установленные за мостом, не выйдут из строя.

Проверка на работоспособность

Такой тип электронного прибора можно проверить, не выпаивая из схемы, так как в конструкциях устройств никакое его шунтирование не используется. В случае выпрямителя, собранного из диодов, проверяется каждый диод в отдельности. А в случае с монолитным корпусом измерения проводятся на всех четырёх его выводах.

Суть проверки сводится к прозвонке мультиметром диодов на короткое замыкание. Для этого выполняются следующие действия:

1. Мультиметр переключается в режим позвонки диодов или сопротивления.
2. Штекер одного провода (чёрного) вставляется в общее гнездо тестера, а второго (красного) в гнездо проверки сопротивления.
3. Щупом, подключённым чёрным проводом, дотроньтесь до первой ножки, а щупом красного провода до третьего вывода. Тестер должен показать бесконечность, а если поменять полярность проводов, то мультиметр покажет сопротивление перехода.
4. Минус тестера подается на четвёртую ногу, а плюс на третью. Мультиметр покажет сопротивление, при смене полярности бесконечность.
5. Минус на первую ногу, плюс на вторую. Тестер покажет открытый переход, при смене – закрытый.

Такие показания тестера говорят об исправности выпрямителя. В случае отсутствия мультиметра можно воспользоваться обычным вольтметром. Но при этом придётся подать питание на схему и замерить напряжение на сглаживающем конденсаторе. Его величина должна превышать входное в 1,4 раза.

Выпрямительные диоды и диодный мост. Как это работает?!. – Магазин "Электрик" в Рогачеве, услуги электрика

Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы.

Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента.

Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы.

Устройство и принцип работы

Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный.

Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы.

Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.

Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.

Технические характеристики

При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах.

Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:

• Амплитудное максимальное напряжение обратной полярности – это пороговое значение более которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет со строя. Обозначается как UАобр в отечественных моделях или V­rpm для зарубежных.
• Среднее обратное напряжение – представляет собой номинальное значение электрической величины, которое может прикладываться в процессе эксплуатации. Имеет обозначение  Uобр в отечественных образцах или V­r(rms) для зарубежных диодных мостов.
• Средний выпрямленный ток – обозначает действующую величину электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах указывается как Iпр или Io для моделей отечественного или зарубежного производства соответственно.
• Амплитудный выпрямленный ток – это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, обозначается как Ifsm для пульсирующего тока на положительном и отрицательном выводе.
• Падение напряжения в прямой полярности – определяет потерю напряжения от собственного сопротивления диодного моста. На устройстве обозначается как V­fm.

Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть.

Преимущества и недостатки

Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:

• И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
• За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
• Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
• Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.

К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки.

Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д.

В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.  

Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.

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.

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:

• Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты.
• Устройства, рассчитанные на среднюю мощность, могут работать с током в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем, изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла.
• Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или металлостеклянных корпусах штыревого (А на рис. 4) или таблеточного типа (В).

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 UIN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.

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 Iобр).

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 электролитического конденсатора.

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.

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.

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

• Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
• Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
• Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
• Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
• Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
• Рабочая частота, кГц;
• Рабочая температура, С.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).

 При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается.

В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления.

Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

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.

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.

Теперь есть представление о работе выпрямительных диодов и диодных мостов.

Источники: Каналы Яндекс.Дзен Виктор Коротун и Макаров Дмитрий, а также https://electroinfo.net/