27 712 subscribers

Что такое диод или как из переменного тока получить постоянный?

2,5k full reads

Выпрямитель нужен, чтобы из переменного тока получить постоянный. Существует несколько схем выпрямителей на полупроводниковых диодах, а в общем их делят на две группы: однополупериодные и двухполупериодные. Эти названия говорят о том сколько полуволн переменного напряжения поступает в нагрузку – одна или две.

Немного определений и теории

Начнем с того, что разберемся с какими определениями нам придется столкнуться.

В электросети протекает переменный ток. Его величина изменяется по синусоидальному закону, это также называют «синусоидальное напряжение» или просто «синусоида». Такое напряжение (ток) изменяется плавно от нуля до амплитудного значения, затем обратно до нуля и опять до амплитудного значения, но с обратным знаком. В одном периоде синусоиды есть две полуволны — «прямая» и «обратная» или «верхняя» и «нижняя».

Переменный синусоидальный ток, определение основных величин
Переменный синусоидальный ток, определение основных величин
По энциклопедическому определению, постоянный ток — это направленное движение заряженных частиц скорость и направление которых не изменяется. Это разновидность однонаправленного тока.

Но на практике зачастую ток непостоянен, а изменяется в процессе работы потребителя (нагрузки), а также на выходе выпрямителей есть пульсации, а у гальванических элементов просадки под нагрузкой. Получается, что сам по себе «постоянный ток», так как сказано в «определении» используется далеко не везде. Когда говорят «блок питания постоянного тока» часто подразумевают постоянное напряжение.

Здесь нужно выделить еще несколько понятий:

1.Однонаправленный ток — протекает в одном направлении, может быть произвольным по величине.

2.Выпрямленное напряжение (или ток) – постоянно по знаку, но может изменяться по величине. Если не используются фильтры, то пульсирует с удвоенной частотой переменного напряжение, которое выпрямляли. Так на выходе выпрямителя сетевого напряжения частота пульсаций будет 50×2=100 Гц.

3.Стабилизированное напряжение (или ток) — постоянно по знаку и величине.

Постоянный и пульсирующий ток
Постоянный и пульсирующий ток

В англоязычной технике и литературе переменный ток обозначается как AC (alternative current), а постоянный — DC (direct current).

Полупроводниковые диоды и выпрямители

В современных электронных устройствах для выпрямления используются полупроводниковые диоды.

Диодом в широком смысле называется любое устройство, у которого есть два вывода. Однако если говорить более конкретно, то полупроводниковый диод — это устройство, в котором сформирован лишь один p-n-переход.

Внутреннее устройство диода и диаграмма потенциалов
Внутреннее устройство диода и диаграмма потенциалов

Основной особенностью полупроводниковых диодов является то, что они проводят ток в одном направлении, а если проложить обратное напряжение (т.н. «обратное смещение»), то ток не проводится до тех пор, пока не наступает тепловой или электрический пробой p-n-перехода с последующим выходом из строя элемента (за исключением стабилитронов, например). Различают множество видов диодов: выпрямительные, импульсные, детекторные, ограничительные и другие, но сегодня нас интересуют именно выпрямительные диоды.

Диоды еще называют «полупроводниковый неуправляемый вентиль», неуправляемый он, потому что вы не можете дать команду чтобы начал или прекратил протекать электрический ток.

Итак, выпрямительный диод – это устройство, которое пропускает ток в одном направлении. Это явление используется для преобразования переменного тока в постоянный, а также для изолирования цепей постоянного тока, например, когда нужно подать несколько сигналов, не зависящих друг от друга, от разных источников.

На схеме диод обозначается в виде стрелки, направление которой указывает куда будет протекать ток. В старых схемах чаще встречается обозначение в вид стрелки в кружочке.

Условное графическое обозначение по ГОСТ и буквенное обозначение диодов
Условное графическое обозначение по ГОСТ и буквенное обозначение диодов

Как это работает?

Кратко рассмотрим, когда диод проводит ток, а когда не проводит, если вам интересно узнать, почему это происходит, рекомендую прочесть одну из лучших книг об электронике «Транзистор? Это же просто…» Е. Айсберга, не обращайте внимания, что она 1964 года — это вечная классика и фундаментальные основы, которые автор преподнес в необычной и лёгкой форме.

Как отмечалось выше, диод состоит из двух областей, p и n — их называют анодом (p-область) и катодом (n-область). Между n- и p-областью находится запирающий слой — так называемый потенциальный барьер.

В прямом смещении p-n-перехода, когда к аноду подключают полюс, а к катоду минус источника питания то этот запирающий слой сужается и через него начинает протекать ток. Но просто подать напряжение недостаточно, важно чтобы его величины было достаточно, для открытия кремниевых диодов нужно 0.7-0.8 вольт, а для германиевых — 0.3-0.4 вольта.

При обратном включении, то есть при подключении плюса к катоду, а минуса к аноду, всё происходит наоборот — запирающий слой расширяется, и носители заряда не могут его преодолеть, соответственно ток не протекает.

Что такое прямое и обратное включение диода
Что такое прямое и обратное включение диода

На реальных диодах катод обычно помечается полосой или кольцом.

Внешний вид диода и расположение анода и катода
Внешний вид диода и расположение анода и катода

Особенности диода отлично иллюстрирует вольт-амперная характеристика, сокращенно её называют «ВАХ».

ВАХ диода
ВАХ диода

На рисунке выше Красным цветом выделены участки и виды пробоев (лавинный, туннельный и тепловой) на обратной ветви. В правой верхней части вы видите прямую ветвь ВАХ, т.е. зависимость тока от напряжения в прямом смещении.

Из неё вы должны понять то, что ток через диод при малом напряжении почти не протекает, но когда оно достигает определенной величины начинает протекать, при этом сила тока не имеет линейной зависимости от приложенного напряжения (при малом увеличении напряжения происходит сильное приращение тока), и ограничивается только сопротивлением нагрузки. При обратном смещении ток практически не протекает (очень незначительный) и так происходит до тех пор, пока не наступит пробой. Различают 3 вида пробоя:

  • Лавинный пробой – при нём диод начинает пропускать ток, он обратимый, то есть если с диода снять напряжение, то он не сгорит.
  • Туннельный пробой также обратим Этот и предыдущий вид используют в стабилитронах. Это другой вид диодов, они предназначены для работы в обратном смещении, а этот участок вольт-амперной характеристики у стабилитронов шире, чем у выпрямительного диода.
  • Тепловой пробой – при нём происходит необратимое разрушение p-n-перехода. Диод либо пробивает, т.е. он становится проводником, либо перегорает, в этом случае происходит обрыв цепи.
На этом рисунке вы можете рассмотреть прямую ветвь ВАХ подробнее — на участке 1 диод еще закрыт, а на участке 2 переходит в открытое состояние
На этом рисунке вы можете рассмотреть прямую ветвь ВАХ подробнее — на участке 1 диод еще закрыт, а на участке 2 переходит в открытое состояние

Схемы выпрямителей

В однофазных цепях используется одна из трёх схем выпрямления переменного тока, они носят такие названия:

  • Однополупериодный выпрямитель, а в технической литературе можно встретить сокращенный вид «1ф1п», что обозначает «1 фаза 1 полупериод».
  • Двухполупериодный выпрямитель, он же «схема Гретца», сокращенно — 2ф2п.
  • Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Используется реже, чем предыдущая, так как требует использовать трансформатор со средней точки (отвод от середины обмоток).

Однополупериодный выпрямитель состоит из диода, последовательно включенного с нагрузкой. Здесь в нагрузку Rн поступает, как ни странно, один полупериод от питающего напряжения, вторые полпериода или обратная полуволна синусоиды через диод не проходит. Схема хороша тем, что нужен только один диод, но у неё ряд недостатков: напряжение на нагрузке снижается в 2 раза и высокий коэффициент пульсаций. Для их сглаживания нужен конденсатор неоправданно большой ёмкости, что повышает и габариты, и конечную стоимость изделия.

Схема однополупериодного выпрямителя, напряжение на её входе и выходе
Схема однополупериодного выпрямителя, напряжение на её входе и выходе

Двухполупериодный выпрямитель или диодный мост состоит уже из четырёх диодов. Здесь они работают «по диагонали», то есть одну полуволну проводят левый верхний и правый нижний диод, а обратную – левый нижний и правый верхний диоды (положения указаны условно, относительно приведенной схемы). Напряжение в нагрузке равно напряжению на входе моста, но оно уже не переменное, а выпрямленное пульсирующее. Чтобы сгладить пульсации параллельно нагрузки устанавливают конденсатор (один или несколько, соединенных параллельно). При этом используются электролитические конденсаторы, из-за их большой ёмкости при относительно небольших размерах.

Схема диодного моста, напряжение на её входе и выходе
Схема диодного моста, напряжение на её входе и выходе

Второй вариант двухполупериодного выпрямителя — это выпрямитель со средней точкой. Здесь к средней точке трансформатора присоединяется один вывод нагрузки, а ко второму выводу нагрузки присоединяются катоды двух диодов. Напряжение на концах вторичной обмотки относительно средней точки находится в противофазе (условно на диаграмме они обозначены как Uвходное1 и Uвходное2).

Так как напряжения сдвинуты друг относительно друга на половину периода и диоды пропускают лишь по одной его полуволне, то на нагрузку попадает выпрямленное двухполупериодное напряжение Uвыходное, как в предыдущем варианте. Вы можете видеть что в первые полпериода через диод VD2 протекает ток, во вторую половину — диод закрывается и начинает протекать ток через диод VD1.

Преимущества такой схемы - меньше потерь из-за меньшего числа ключей, но недостаток весьма серьезный - нужен трансформатор со средней точкой, если в производственных масштабах это не составляет особых проблем, то для радиолюбителя может оказаться сложным найти такой. Но

Схема выпрямителя со средней точкой, напряжение на её входе и выходе
Схема выпрямителя со средней точкой, напряжение на её входе и выходе

Заключение

На этом закончим статью о выпрямителях и диодах. Если вам что-то осталось непонятным или вы бы хотели раскрыть подробнее какой-то конкретный вопрос — пишите об этом в комментариях, не забывайте ставить «лайки» и подписываться на канал, ведь это очень важно для нас.