Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока

Выпрямители

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное свойство выпрямителя — сохранение направления протекания тока при изменении полярности входного напряжения.

По количеству выпрямленных полуволн выпрямители делят на однополупериодные и двухполупериодные.

По числу фаз силовой сети различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на вход одну полуволну питающего напряжения.

Рис. 1 — Схема и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя

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 I_обр ).

В результате, как видно из графика (рис. 1), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.

Импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика.

На практике такие схемы находят ограниченное применение в связи с плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Простота конструкции является единственным её достоинством.

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).

Однофазный мостовой выпрямитель (диодный мост)

Однофазный мостовой выпрямитель является двухполупериодным выпрямителем. Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Из-за удвоенного количества диодов ограничено его применение при низких напряжениях. Трансформатор в такой схеме используется наиболее полно.

Рис. 2 — Схема и принцип работы диодного моста

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:

• На схему приходит переменное напряжение U_вх . Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
• Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
• На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (рис. 2,б), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным.

Его преимущества очевидны:

• 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 (рис. 2,б), 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.

Рис. 3 — Диодный мост в виде сборки

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.

Другие типы выпрямителей

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель представляет из себя два параллельно соединенных однофазных однополупериодных выпрямителя. Характеризуется улучшенным использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Другое название такого выпрямителя — выпрямитель со средней точкой .

Рис. 4 — Схема двухфазного двухполупериодного выпрямителя —>

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения представляет собой последовательное соединение однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде через диод VD1 заряжается конденсатор C1, а во втором полупериоде через диод VD2 заряжается конденсатор C2. Выходное напряжение представляет собой сумму напряжений на конденсаторах — удвоенную амплитуду напряжения вторичной обмотки.

Рис. 5 — Схема однофазного выпрямителя с удвоением напряжения

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой обладает значительно меньшими пульсациями выходного напряжения и их утроенной частотой по сравнению с однофазным двухполупериодным выпрямителем. Этой позволяет упростить фильтр а иногда и вообще обойтись без него. Но такой схеме присуще подмагничивание трансформатора постоянным током, что ухудшает его использование.

Рис. 6 — Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой

Трехфазный мостовой выпрямитель

Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) по сравнению с предыдущей схемой характеризуется отсутствием подмагничивания трансформатора, еще меньшим коэффициентом пульсаций, и их вдвое большей частотой.

Рис. 7 — Схема трехфазного мостового выпрямителя

Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока

Некоторые популярные диоды

Определение и типы диодов

Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении. Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы, так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды бывают:

— вакуумные (они же кенотроны);

— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и карбидокремниевые (SiC) диоды;

— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.

Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.

Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:

— выпрямительные диоды , используемые, как правило, для выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после трансформатора в трансформаторных источниках.

— быстродействующие кремниевые диоды — используются в составе импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).

— кремниевые импульсные диоды – используются в составе функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами (миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).

— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1 ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.

Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению, значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных преобразователей с малым выходным напряжением.

Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку это вы ходит за рамки данного повествования.

Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1

Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки

Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом. Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.

Функциональные применения диода

— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);

— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;

— в пиковых детекторах на операционных усилителях;

— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);

— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;

— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).

Ниже представлено несколько примеров использования диодов.

Рисунок VD.2 — Схема двухполупериодного выпрямителя

Рисунок VD.3 — Схема реализации логических операций ИЛИ

— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).

Рисунок VD.4 — Схема ограничения амплитуды сигнала

Характеристики диодов

Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.

Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.

Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода

Из вольтамперной характеристики следуют её производные:

— прямое падение напряжение на диоде V_F (при заданных токе и температуре);

— обратный ток утечки I_RM (при заданном обратном напряжении и температуре);

— максимальное обратное напряжение V_R (при заданной температуре).

Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики диода:

— максимальный постоянный рабочий ток;

— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);

— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);

— тепловое сопротивление корпуса.

Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:

— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;

На рисунках VD.6 — VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).

Рисунок VD.6 — Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода 1N4148

Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157

Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819

Основные параметры реальных диодов

1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) V_RRM– максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.

2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage) V_RWM – максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.

3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует началу пробоя на обратной ветви ВАХ.

NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо, не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.

4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage) V_R(RMS) – максимальная величина действующего (среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода. Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.

5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) I_O – максимальное среднеквадратичное значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.

6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) I_FRM — максимальная амплитуда импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульсов и частота повторения.

7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) I_FSM — максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульса.

8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) V_FM – падение напряжения на диоде при прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.

9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) I_RM – максимальный обратный ток через диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.

10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) C_j – паразитная емкость p-nперехода диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.

11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим воздухом. Зависит от типа корпуса.

12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) T_A – максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного напряжения.

13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) P_tot – максимальная мощность рассеиваемая корпусом диода.

14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I 2 t – произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение, измеряемое в А 2 с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от перегрузки (предохранителей).

15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) t_rr – время за которое диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).

Максимальные ток и мощность диода

Режим постоянного тока

Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на диоде V_VD и тока через него I_VD:

Для практических расчетов в качестве V_VD можно брать падение напряжения при номинальном токе, указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:

Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.

Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы, однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).

Режим импульсного тока

Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его величину.

Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость диода

Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.

На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D — Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка], [Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме представлены на рисунке VD.10.

Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления

Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной проводимости диода

Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ I_SW, начиная с момента времени t_switch. При этом ток, протекающий через диод I_Dпостепенно уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый момент времени (начало интервала t_A) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ (I_L = I_SW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса реверсного тока (период t_A) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод начинает снижаться (период t_B), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника V_DC.

Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления». Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:

— период t_A – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до максимального значения обратного тока I_RRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так называемой обеднённой области p-n перехода.

— период t_B – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.

Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery time) t_RR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр, характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления обратной проводимости t_RR равно сумме времен периодов t_A и t_B:

Максимальное значение реверсного тока I_R связано с длительностью периода t_A и скоростью спада тока:

Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF – критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия «мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов t_B к t_A :

Для обычных диодов t_A много больше t_B , для импульсных «мягких» диодов наоборот t_Bмного больше t_A. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять 0,2-0,6.

Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) Q_RR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд равен:

Откуда максимальный ток определяется из соотношения:

Приравнивая выражения для I_R получаем:

Преобразуя это выражение получаем:

Учитывая, что t_A и t_B связаны через «фактор мягкости» SF:

Откуда выразим t_A:

Откуда получаем практически важные соотношения:

— для расчета времени восстановления обратной проводимости t_RR :

— и для расчета максимальной величины обратного тока I_RRM :

Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.

Барьерная емкость диода — собственное значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного напряжения.

Расчет тепловых потерь в диоде на переключение

В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый импульс тока длительностью t_rev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:

Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.

Основное выделение энергии происходит в периода t_B когда напряжение на диоде имеет величину существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период t_A). Полагая линейную форму спада тока и роста обратного напряжения получим:

Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:

Выражение для тока через диод будет иметь вид:

Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:

Перемножая V_VD(t) и I_VD(t), получаем:

Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans}«на переключение»:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

I_RRM — максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:

здесь: Q_RR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах, скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.

t_B — время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь t_A и t_B через «фактор мягкости» SF получаем:

Отсюда t_B может быть вычислено по соотношению:

Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении t_B может быть определено как:

Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода P_{VD_trans} «на переключение»:

Упростим данное соотношение:

Результирующее выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans} «на переключение» имеет вид:

Q_RR — заряд обратного восстановления;

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).

В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления Q_RR, а приводятся:

— зависимости тока восстановления обратной проводимости от I_RRM от скорости спада тока di/dt;

— зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR от скорости спада тока di/dt.

В этом случае мощности динамических потерь P_{VD_trans} вычисляется по соотношению:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

I_RRM(di/dt) — ток восстановления обратной проводимости от I_RRM при заданной скорости спада тока di/dt;

t_RR(di/dt) — зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR при заданной скорости спада тока di/dt.

SF — SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);

f — рабочая частота.

Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток

По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой которых носит обратимый характер.

Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение пробоя.

Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью потерь в проводящем состоянии.

Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в расчетах в любом случае.

Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду V_{VD_rev} и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_{VD_rev}:

— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!

— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.

Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.

Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности, выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности выделяемой при обратном смещении:

P_{VD_total} – общая мощность, рассеиваемая на диоде;

P_{VD_stat+} – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;

P_{VD_stat-} – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;

P_{VD_trans} – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных процессов.

Последовательное и параллельное включение диодов

Последовательное включение

Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения V_R (рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.

Рисунок VD.11 — Последовательное включение диодов для увеличения максимального обратного напряжения

При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:

V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.

I_RM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре соответствующей рабочей температуре эксплуатации.

Рисунок VD.12 — Последовательное включение диодов с резисторами, выравнивающими падение обратного напряжения на диодах

Параллельное включение

Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.

Рисунок VD.13 — Параллельное включение диодов для увеличения максимального рабочего тока

Выпрямление переменного тока: виды, схемы, диоды для выпрямления

Электростанции вырабатывают переменный ток, который затем преобразуется трансформаторами. На переменном токе работают почти все электродвигатели, но в некоторых ситуациях необходима постоянная величина. Для этого используют выпрямитель, который преобразовывает переменный ток и делает его постоянным.

Выпрямление тока

Промышленные и бытовые сети работают в основном на переменном токе, однако постоянной величины требуют электролитные установки, светодиоды, аккумуляторы. Для преобразования переменного напряжения используется выпрямитель.

Для выпрямления переменного тока применяют диоды. В простейших схемах содержится один полупроводниковый элемент. Ток проходит через привычную обмотку, а на вторичной переходит на диод и цепь нагрузки, там происходит замыкание.

В такой ситуации электроны движутся к диоду. Они проходят через провод, преодолевают дроссель и происходит распределение нагрузки. После этого происходит замыкание и полупериод движется в обратном направлении. В это время отсутствует ток, поскольку от анода к катоду не может идти переменное напряжение.

Структура выпрямителя

Для того, чтобы разобраться с тем, что такое выпрямитель, следует изучить особенности этого прибора. Статическое устройство применяют для преобразования тока в постоянную величину. Оно состоит из трансформатора, сглаживающего фильтра и вентильной группы.

Трансформатор на выпрямителе меняет напряжение до необходимого значения, после чего регулирует нагрузку и создает требуемое количество фаз.

Вентильная группа в классической схеме выпрямителя создает однонаправленный ток, это уменьшает пульсацию для его дальнейшего выпрямления.

Интересно! При этом трансформатор и сглаживающий фильтр присутствуют не во всех выпрямителях на диодах, иногда они становятся лишь вспомогательными компонентами.

Типы выпрямителей

Выпрямитель тока выбирают в зависимости от потребностей человека и того, в каких условиях произойдет его эксплуатация, поскольку техника активно используется в промышленной и бытовой отрасли.

Однополупериодный

В нем напряжение с обмотки поступает на силовой трансформатор, где на нем стоит всего один диод. Схема однополупериодного выпрямителя считается самой простой, поскольку для нее используется минимум элементов.

Здесь выпрямляется только один полупериод и формируется импульсное напряжение. Качество такого однополупериодного выпрямителя тока иногда подводит и результат получается пульсирующим. Для него приходится брать конденсатор с большой величиной, это заставляет создавать прибор большого размера.

Важно! Выпрямитель напряжения подходит только для слабых блоков, где частота не превышает 15 кГц.

Двухполупериодные

Для его реализации берут мостовую схему или вариант со средней точкой. Второй вариант сложнее реализовать, хотя для него используется в 2 раза меньше диодов. Чтобы получить в нем одинаковое напряжение, приходится делать в 2 раза больше обмотки, а в таком случае повышаются расходы на медный провод.

При рассмотрении схемы двухполупериодного выпрямителя становится понятно, что величина пульсаций у него меньше, если сравнить с однополупериодным. Пульсаций здесь меньше, поэтом прибор считается более эффективным.

Мостовая схема в выпрямителе напряжения тоже используется довольно часто. В нее включают 4 полупроводниковых диода, а также ставят фильтр или конденсатор для устранения пульсаций. Стоит учитывать, какие недостатки есть у схемы мостового выпрямителя: со временем происходит прямое падение напряжения, поэтому теряется его часть. Для работы некоторых приборов это становится критично.

С удвоением напряжения

В этом выпрямителе тока конденсаторы поочередно заряжаются и разряжаются. Движение происходит полуволнами на входном напряжении. Между катодом и анодом появляется напряжение, которое в 2 раза выше входного показателя.

Для блока питания этот выпрямитель тока обычно не подходит, но его используют для увеличения напряжения, которое переходит со вторичной обмотки. К нему прибегают, если двухполупериодный выпрямитель со средней точкой не в полной мере справляется со своей задачей.

Схема выпрямителя выглядит более сложной, но это становится оправдано в том случае, если необходимо увеличить напряжение и при этом не делать вторую обмотку.

Умножитель напряжения

В сравнении с двухполупериодным мостовым выпрямителем здесь из диодов и конденсатора формируется звено. Оно соединяет элементы для того, чтобы напряжение стало в несколько раз больше. Его используют для формирования высокого напряжения при низких входных параметрах. Например, такая схема выпрямителя часто используется для оборудования в научных лабораториях, медицинских аппаратах и некоторых видах оружия.

Важно! При сборке этого выпрямителя учитывают напряжение не только диодов, но и конденсаторов.

Такие умножители заливают специальным составом или эпоксидной смолой, чтобы не образовался высоковольтный пробой.

Трехфазный

Эти модели используют для получения стабильного показателя из трехфазного тока. В отличие от двухполупериодных мостовых выпрямителей их не используют в бытовой технике.

В схеме этого устройства используют три силовых диода, которые подсоединяют параллельно друг другу, а потом делают вторичную обмотку.

Использование

После изучения схемы двухполупериодного выпрямителя и остальных видов, следует разобраться с применением этих устройств. Обычно их мастерят для применения в следующих механизмах:

• двигателей воздушных, водных и транспортных средств, а также буровых установок и станков;
• сварочных установок;
• механизмов для фильтрации воздуха и воды;
• передачи энергии на дальние расстояния;
• получения цветных металлов и нанесения финишных покрытий на установки.

Обычно выпрямители устанавливают в транзисторные схемы и маломощные аппараты. Автолюбители часто применяют их при тюнинге своего авто.

Какие применяются диоды

Для этого подходят любые диоды кроме кремниевых. При выборе следует учитывать ток и напряжение на выходе. К примеру, если необходимо 30 В, то в случае обратного напряжения элементы подбирают под 100 В.

Для выпрямительных диодов выбирают наибольшее значение среднего тока и обратного напряжения, от этого зависит стабильность работающего прибора. Также ищут максимальную частоту потенциалов для прямого тока. Диоды бывают маломощными (до 300 мА), средними (до 10А) и силовыми, у них значение превышает 10А.

При этом много зависит от технических параметров, способа монтажа и материала. Модели со средними показателями работают с напряжением до 1,4 КВ. А силовые варианты пропускают гораздо больше — до 400 А. Такие устройства считают высоковольтными, для них диоды выпускают в разных корпусах. Удобней всего работать с таблеточным и штыревым видом.

Выпрямитель используется для получения стабильных величин, поэтому пренебрежение этим устройством вызывает ряд более сложных технических конфликтов. Если человек ранее не работал с выпрямителем и плохо знаком с его структурой, то лучше взять самый простой вариант устройства и установить его для решения своей задачи.

Выпрямительные диоды, диодные мосты и области их применения

Выпрямитель электрического тока — механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Диодный мост — электронная схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

Выделим два варианта включения мостовых схем однофазную и трехфазную.

Однофазная мостовая схема:

На вход схемы подается переменное напряжение (для простоты будем рассматривать синусоидальное), в каждый из полупериодов ток проходит через два диода, два других диода закрыты (рис.1 а, б).

Рис. 1 а) Выпрямление положительной полуволны

Рис. 1 б) Выпрямление отрицательной полуволны

В результате такого преобразования на выходе мостовой схемы получается пульсирующее напряжение вдвое большее частоты напряжения на входе (рис.2 а, б, с)

Рис. 2. а) исходное напряжение (напряжение на входе), б) однополупериодное выпрямление, с) двухполупериодное выпрямление

Трехфазная мостовая схема:

В схеме трехфазного выпрямительного моста в результате получается напряжение на выходе с меньшими пульсациями, чем в однофазном выпрямителе (рис.3).

Рис. 3. Напряжение на выходе трехфазного выпрямителя

Для выпрямления трехфазных напряжений так же широко используются диодные выпрямители. Очень распространены схемы выпрямителей на полумостовых диодных выпрямителях рис. 4.

Рис. 4. Трехфазная схема выпрямителя на полумостах

Как правило, для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя применяется фильтр в виде конденсатора или дросселя, к тому же для стабилизации выходного напряжения устанавливается стабилитрон рис. 5.

Рис. 5. Схема диодного выпрямителя с фильтром

Рис. 6. Диодный мост на дискретных элементах

Конструкция диодных мостов может быть выполнена из отдельных диодов, или в виде монолитной конструкции (диодной сборки). Монолитная конструкция, как правило, предпочтительней — она дешевле и меньше по объему. Диоды в ней подобраны на заводе изготовителе и параметры максимально аналогичны друг другу, в отличие от отдельных диодов, где параметры могут отличаться друг от друга, к тому же в рабочем состоянии диоды в диодной сборке работают в одинаковом тепловом режиме, что уменьшает вероятность выхода из строя элемента. Еще одним преимуществом диодной сборки является ее простота монтирования на плате. Основным недостатком монолитной конструкции является не возможность замены одного диода, вышедшего из строя другим, в этом случае необходимо менять всю сборку, но происходит это крайне редко, если рабочие режимы диодного моста подобраны правильно.

Рис. 7. Диодная сборка

Область применения выпрямительных мостов обширна, например:

• приборы освещения (люминесцентные лампы, ЭПРА, модули солнечных батарей);
• счетчики электроэнергии;
• блоки питания и управления бытовой техники (телевизоров, миксеров, стиральных машин, пылесосов, set-top-box, компьютеров, холодильников, электроинструмента и др.), зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, AC/DC-DC/DC преобразователи;
• промышленное (блоки питания, зарядные устройства, блоки управления электродвигателями, регуляторы мощности и др.), автомобильные выпрямители.

Diotec в электронике

Рассмотрим области применения выпрямительных диодов Diotec.

Компания Diotec Semiconductor AG (Diotec) — была образована в 1973 году в городе Хайтерсхайм (Германия). На сегодняшний день компания является ведущим производителем стандартных и силовых полупроводниковых диодов и выпрямителей, вся продукция выполнена на новейшем оборудовании с высоким уровнем качества по безсвинцовой технологии. Благодаря применению собственной уникальной технологии Plasma EPOS не имеющей аналогов в мире призванной обеспечить не только высокое качество производимой продукции, но и полностью исключить применение агрессивных кислот в процессе производства и свести к минимуму вредное влияние на окружающую среду, компания заняла одно из лидирующих мест на рынке электронных компонентов.

Как известно сердцем полупроводникового элемента является кремниевый кристалл. В отличие от многих других производителей, которые приобретают кристаллы у сторонних компаний, фирма Diotec владеет собственной полной технологической цепочкой полупроводникового производства — от создания кристаллов до сборки (корпусирования), тестирования и упаковки.

Diotec для приборов освещения

Одним из самых распространенных элементов для применения в устройствах осветительной техники является выпрямитель серии 1N4007, рассчитанный на ток до 1 А и напряжение до 1000 В.

Рис. 8. Выпрямители серии 1N4007 в сравнении с MS500 на печатной плате

Этот диод занял достойную нишу на рынке светотехнических устройств, но прогресс не стоит на месте и многие компании устремились найти рентабельную замену 1N4007 в виде эквивалентного устройства для поверхностного монтажа. Компания Diotec предложила свое решение в виде выпрямительного моста серии MS (рис.8). Устройство MS500 рассчитанное на рабочее напряжение до 1000 В на сегодняшний день наиболее популярное для применения в осветительных приборах. Диодный мост MS500 имеет выводы с шагом 2,5 мм наибольшим образом соответствует промышленным стандартам, площадь занимаемая мостом на печатной плате уменьшена со 140 мм 2 до 30 мм 2 , высота составляет 1,6 мм. Таким образом, экономится до 80% площади на плате и до 90% веса электронных компонентов, что влияет на транспортные расходы при перевозке элементов. Такие конструктивные особенности моста обеспечивают гибкость при изготовлении устройств и экономят средства. Кроме того, все четыре кристалла диодного моста устанавливаются одновременно (используется технология QuattroChip), что позволяет улучшить «выравнивание» диодного моста, повысить теплостойкость, а так же снизить количество выходов из строя, вызванных неравномерностью параметров диодов (при дискретной установке) и скачками входного тока.

Рис. 9. Внешний вид миниатюрной люминесцентной лампы и схемы балласта

Большинство конструкций балластных устройств потребляет небольшой ток. Поэтому требования к номинальным параметрам по току выпрямителей не очень высоки. Основной проблемой для осветительных устройств является высокая температура окружающего воздуха.

Рис. 10. Характеристика диодного моста B250S2A в режиме повышенной температуры

Высокая температура вызывает появление проблем, связанных со снижением номинальных параметров по току, и во многих случаях инженера избегают применения мостовых выпрямителей предназначенных для поверхностного монтажа (SMD), в балластных схемах мощных осветительных приборов. Они предпочитают использовать четыре дискретных элемента для поверхностного монтажа (например, серии S1M) или компоненты с осевым расположением. Серия диодных мостов B250S2A решает данную проблему. Этот мостовой выпрямитель рассчитан на номинальный ток до 2,3 А и способен пропускать ток 0,7 А при температуре 125 °С. Кроме того, он способен обеспечивает прямое падение напряжения V_F = 0,95 В при токе 2 А, что на 15-20% лучше, чем у мостовых выпрямителей других производителей. При изготовлении диодных мостов серии BxxxS2A так же был применена технология QuattroChip, позволяющая повысить устойчивость вольтамперной характеристики мостового выпрямителя к выбросам.

В осветительной технике зачастую требуются выпрямители, рассчитанные на работу с напряжениями до 2000 В. Такие выпрямители применяются в некоторых типах ламп, где необходимо высокое напряжение для поджига разряда. Применяемые в промышленности технологии пассивации диодных переходов, для изготовления элементов в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, представляют определенную трудность.

Рис. 11. Общий вид ЭПРА

Запатентованная компанией Diotec система Plasma EPOS позволяет применять технологии пассивации подложки на напряжения до 2000 В. Диодные переходы, полученные с помощью этих процессов, могут монтироваться в корпуса MELF или плоские корпуса для поверхностного монтажа (SMD). Такой технологический процесс привел к появлению диодных выпрямителей серии SM513…SM2000 в корпусах MELF рассчитанных на рабочий ток до 1 А и напряжение 1300-2000 В.

Рис. 12. Общий вид миниатюрной люминесцентной лампы

Здесь же стоит отметить одни из последних выпущенных компанией Diotec в серийное производство выпрямителей серии S1T…S1Y, которые являются логическим продолжением промышленного стандарта серии S1 рассчитанных на напряжение до 2000 В и ток до 1 А, выпрямители этой серии выпускаются в корпусе SMA. А так же версии S2x и S3x рассчитанные на токи до 2 и 3 А в корпусах SMB и SMC соответственно.

Рис. 13. Серия высоковольтных выпрямителей в SMD исполнении

В российской промышленности в настоящее время многие производители светотехнического оборудования активно применяют диодные мосты конкурирующих производителей для поверхностного монтажа серии DB10xS рассчитанных на рабочий ток до 1 А и напряжение до 1000 В. Компания Diotec выпускает аналогичные диодные мосты серии BxxxS, преимуществом которых является сохранение номинальных параметров от температуры, благодаря применению передовой технологии изготовления элементов и тщательному контролю качества, ударный прямой ток достигает 40 А, против 30 А у конкурентов, к тому же корпус диодных мостов серии BxxxS SO-DIL (SMD) имеет меньшие габариты аналогичных элементов других производителей.

Рассмотрим одну из интересных схем применения диодного моста в электронном пускорегулирующем аппарате (ЭПРА) рис.14.

Рис. 14. ЭПРА на базе UBA2021, с входной цепью на B380C1500A

Основой схемы ЭПРА является 630-вольтовая микросхема UBA2021 предназначенная для управления и контроля люминесцентной лампой. Входная цепь выполнена на диодном мосту серии B380C1500A рассчитанное на рабочий ток до 2,3 А и напряжение до 800 В.

Для управления люминесцентными лампами можно использовать микросхемы серии UBA2014, UBA2021, UBA2024.

Еще одним из применений диодных мостов являются, например бытовые регуляторы освещения для ламп накаливания.

Рассмотрим несколько простых схем регуляторов.

Рис. 15. Регулятор освещения лампы накаливания

Схема регулятора на рис.15 позволяет выполнять две функции: автоматически поддерживать заданный уровень освещенности вне зависимости от изменения уровня внешней освещенности и плавно регулировать задаваемый уровень освещенности.

При монтаже устройства необходимо учесть, что бы светочувствительный элемент (фоторезистор) располагался таким образом, что бы свет от лампы накаливания напрямую не попадал на рабочую площадку фоторезистора.

При необходимости данный регулятор освещенности может быть преобразован в регулятор других параметров, например в терморегулятор.

На рис.16 показан другой вариант построения регулятора. Этот регулятор так же может быть использован для различных вариантов применения, регулятор освещенности, температуры, напряжения, тока и др.

Рис. 16. Регулятор температуры на основе регулятора освещенности

Выпрямительная часть построена на дискретных диодах серии 1N4007, так же можно использовать диодный мост серии B500S. Симистор BT136B-600E в корпусе D2PAK, применен в целях экономии места, подойдет другой симистор из этой серии.

При небольшой доработке данных схем можно разработать датчик автоматического включения света, например на основе звукового эффекта, с включением на звук, или используя оптический датчик на ИК-лучах, а так же можно создать схему дистанционного управления освещением.

Таблица 1. Характеристики выпрямителей

P/N	Корпус	Импульсное обратное напряжение, VRRM (В)	Средний ток прямой макс, IFAV (А)	Ударный прямой ток, IFSM (А)	Напряжение прямое		Ток утечки
					VF(В)	IF (А)	IR (мкА)	VR (В)
Выпрямители
1N4001	DO-41	50	1	50	1.1	1	5	50
1N4002	DO-41	100	1	50	1.1	1	5	100
1N4003	DO-41	200	1	50	1.1	1	5	200
1N4004	DO-41	400	1	50	1.1	1	5	400
1N4005	DO-41	600	1	50	1.1	1	5	600
1N4006	DO-41	800	1	50	1.1	1	5	800
1N4007	DO-41	1000	1	50	1.1	1	5	1000
1N4007-13	DO-41	1300	1	50	1.1	1	5	1300
EM513	DO-41	1600	1	50	1.1	1	5	1600
EM516	DO-41	1800	1	50	1.1	1	5	1800
EM518	DO-41	2000	1	50	1.1	1	5	2000
S1A	SMA	50	1	30	1.1	1	5	50
S1B	SMA	100	1	30	1.1	1	5	100
S1D	SMA	200	1	30	1.1	1	5	200
S1G	SMA	400	1	30	1.1	1	5	400
S1J	SMA	600	1	30	1.1	1	5	600
S1K	SMA	800	1	30	1.1	1	5	800
S1M	SMA	1000	1	30	1.1	1	5	1000
S1T	SMA	1300	1	30	1.1	1	5	1300
S1W	SMA	1600	1	30	1.1	1	5	1600
S1X	SMA	1800	1	30	1.1	1	5	1800
S1Y	SMA	2000	1	30	1.1	1	5	2000
S2A	SMB	50	2	50	1.1	1.15	5	50
S2B	SMB	100	2	50	1.1	1.15	5	100
S2D	SMB	200	2	50	1.1	1.15	5	200
S2G	SMB	400	2	50	1.1	1.15	5	400
S2J	SMB	600	2	50	1.1	1.15	5	600
S2K	SMB	800	2	50	1.1	1.15	5	800
S2M	SMB	1000	2	50	1.1	1.15	5	1000
S2T	SMB	1300	2	50	1.1	1.15	5	1300
S2W	SMB	1600	2	50	1.1	1.15	5	1600
S2X	SMB	1800	2	50	1.1	1.15	5	1800
S2Y	SMB	2000	2	50	1.1	1.15	5	2000
S3A	SMC	50	3	110	1.15	3	5	50
S3B	SMC	100	3	110	1.15	3	5	100
S3D	SMC	200	3	110	1.15	3	5	200
S3G	SMC	400	3	110	1.15	3	5	400
S3J	SMC	600	3	110	1.15	3	5	600
S3K	SMC	800	3	110	1.15	3	5	800
S3M	SMC	1000	3	110	1.15	3	5	1000
S3T	SMC	1300	3	110	1.15	3	5	1300
S3W	SMC	1600	3	110	1.15	3	5	1600
S3X	SMC	1800	3	110	1.15	3	5	1800
S3Y	SMC	200	3	110	1.15	3	5	2000
Мосты выпрямительные
MS40	Micro-DIL	80	0.5	20	1.2	0.5	10	80
MS80	Micro-DIL	160	0.5	20	1.2	0.5	10	160
MS125	Micro-DIL	250	0.5	20	1.2	0.5	10	250
MS250	Micro-DIL	600	0.5	20	1.2	0.5	10	600
MS380	Micro-DIL	800	0.5	20	1.2	0.5	10	800
MS50	Micro-DIL	1000	0.5	20	1.2	0.5	10	1000
B40S2A	SO-DIL	80	2.3	65	0.95	2	10	80
B80S2A	SO-DIL	160	2.3	65	0.95	2	10	160
B125S2A	SO-DIL	250	2.3	65	0.95	2	10	250
B250S2A	SO-DIL	600	2.3	65	0.95	2	10	600
B380S2A	SO-DIL	800	2.3	65	0.95	2	10	800
B40S	SO-DIL	80	1	40	1.1	1	10	80
B80S	SO-DIL	160	1	40	1.1	1	10	160
B125S	SO-DIL	250	1	40	1.1	1	10	250
B250S	SO-DIL	600	1	40	1.1	1	10	600
B380S	SO-DIL	800	1	40	1.1	1	10	800
B500S	SO-DIL	1000	1	40	1.1	1	10	100

Diotec для счетчиков электроэнергии

Счетчики электроэнергии для переменного тока начинают свою историю с конца 19 века, когда в 1888 году был разработан первый счетчик электроэнергии Оливером Б. Шелленбергом.

Существуют три вида электросчетчиков:

• индукционные (механические) наиболее простые и дешевые, имеют ряд недостатков: большая погрешность вычисления, отсутствие тарификации измерений, нет возможности дистанционного снятия показаний.
• цифровые (электронные) эти счетчики дороже индукционных, но имеют ряд преимуществ, они обладают высокой точностью измерений, удобный в использовании интерфейс (ЖКИ) и набор функций для пользователей, средний срок службы таких счетчиков составляет 30 лет. В цифровых счетчиках есть возможность установки нескольких тарифов, и возможность включения таких счетчиков в общую систему с возможностью дистанционного снятия показаний (АСКУЭ), как правило, такие счетчики обладают автоматической корректировкой по температуре, где могут быть применены цифровые термодатчики серии LM75, NE16, SE95.
• гибридные счетчики электроэнергии — наиболее редко встречающийся вариант счетчиков, где используется цифровой интерфейс, индукционная или электрическая измерительная часть и механическое вычислительное устройство.

Счетчики электроэнергии необходимо разделять на несколько функциональных узлов: блок питания, схема счетчика, корректирующие цепи и др. Блок питания преобразует высокое переменное входное напряжение в низкое прямое и обеспечивает питание всех цепей счетчика. Схема счетчика измеряет ток, потребляемый нагрузкой, посредством трансформатора тока, через который протекает ток. Другие блоки электросчетчика выполняют целый ряд различных функций: вывод показаний и управление через проводные (Ethernet), или беспроводные (Wi-Fi, WiMax, ZeegBee) сети, управление ЖКИ дисплеем, коррекция точности, термокомпенсация счетчика и др.

Рассмотрим вариант применения диодного моста в счетчике электроэнергии, для примера возьмем схему наиболее простого однофазного счетчика рис.17.

Счетчик состоит из микросхемы обработки, трех трансформаторов тока, цепи питания, электромеханического счетного устройства и дополнительных цепей.

В качестве регистра электроэнергии используется простое электромеханическое отсчетное устройство, в котором применен двухфазный шаговый двигатель.

Рис. 17. Схема однофазного счетчика

Электропитание счетчика обеспечивается источником, построенным на токовом трансформаторе и двухполупериодном выпрямителе, в качестве выпрямительных диодов здесь применены наиболее популярные выпрямительные диоды серии 1N4007, которые можно заменить диодными мостами серии MS250, B500S предназначенные для поверхностного монтажа или аналогичными диодами серии S1M в SMD исполнении.

Diotec для блоков питания и AC/DC-DC/DC преобразователей

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора, с первичной и вторичной обмоткой, выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода, например серии 1N400x, или четырех диодов, включенных по мостовой схеме и образующих диодный мост на дискретных элементах. Но как уже рассматривалось ранее, такое включение диодов имеет ряд недостатков по сравнению с диодным мостом в виде монолитной конструкции. Как правило, после выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий пульсации, обычно для этого применяется конденсатор большой емкости. Так же могут быть установлены фильтры высокочастотных помех (дроссель), всплесков (TVS-диоды, например серии BZW04-xxx, P4KExx, 1.5KExx), защиты от короткого замыкания, стабилизаторы напряжения и тока (стабилитроны, например серии ZPDxx, ZPYxx, 1N53xx, BZVxx, BZXxx).

Рассмотрим одну из простых схем трансформаторного блока питания, схема которого приведена на рис.18.

Выходное напряжение плавно регулируется резистором R7от 0 до 30 В. К тому же данный блок питания имеет плавную регулировку ограничения по току.

Напряжение с трансформатора выпрямляется диодным мостом серии GBU6B и подается на схему стабилизации и далее схемы регулирования тока напряжения и защиты.

Рис. 18. Трансформаторный блок питания

В настоящее время больший интерес представляют импульсные источники питания, т.к. они имеют ряд преимуществ, таких как: небольшой вес, высокий КПД, низкая стоимость, повышенная пиковая мощность при сравнимых габаритах, широкий диапазон питающего напряжения, система защиты.

В импульсных блоках питания переменное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение используется для питания широтно-импульсного модулятора (ШИМ), контроллера, драйверов и преобразователя, с помощью которого постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы c заданной частотой и скважностью, подаваемые на трансформатор. В таких блоках питания могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты питающего напряжения уменьшаются требования к габаритам сердечника. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

Одна из выходных обмоток трансформатора используется для обратной связи. В зависимости от напряжения на ней (например, при изменении тока нагрузки) изменяется частота или скважность импульсов на выходе ШИМ контроллера. Таким образом, с помощью этой обратной связи блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Рассмотрим одну из простейших принципиальных схем импульсного источника питания, показанную на рис.19.

Источники питания представляет собой обратноходовой (FlyBack) ИИП.

Рис. 19. Схема импульсного источника питания

Источник питания имеет два выхода и обеспечивает напряжение 36 В и ток до 3 А общей мощностью до 220 Вт. Выпрямление входного напряжения обеспечивается диодным мостом KBU6M, TVS-диоды серии P6KE200A ограничивают выбросы напряжения. Микросхема AD1 выполняет функцию управления и ключа. Блок питания имеет гальваническую развязку входа и выхода, в том числе и цепи обратной связи. Имеется возможность плавной подстройки выходного напряжения резистором R7.

Рассмотрим еще одну интересную схему импульсного источника питания, показанную на рис.20.

Блок питания обеспечивает выходное напряжение до 5 В и ток до 1,2 А.

Рис. 20. Схема импульсного источника питания на основе TEA1522

Сердцем этого источника питания является микросхема TEA1522, которая представляет собой законченное решение для построения электронной части ИИП (управляющая схема и ключ в одном корпусе).

Входная часть блока питания выполнена на хорошо известных дискретных диодах серии 1N4007, которые как рассматривалось ранее можно заменить диодным мостом, выполненным в едином монолитном корпусе серии MS250, B500S.

Рассмотрим еще одно из применений диодных выпрямителей в бытовой технике, на примере блока управления холодильником для этого рассмотрим простую схему приведенную на рис.21.

Рис. 21. Схема блока управления холодильником

В схеме блока управления состоит из блока терморегулировки, таймера задержки включения, узла контроля напряжения сети.

Для выпрямления входного напряжения в данной схеме применен диодный мост российского производства серии КЦ407, который может быть заменен четырьмя дискретными диодами серии 1N4002-1N4007 или диодным мостом серии MS250, B500S.

Diotec для зарядных устройств

Рассмотрим простой пример применения диодных мостов в зарядных устройствах, на примере некоторых простых схем.

Рис. 22. Схема зарядного устройства

В схеме на рис.22 диодный мост выполнен на одном из распространенных диодов серии 1N4004, который можно заменить диодным мостом в виде монолитного блока серии MS250.

На схеме рис.23 представлен простейший вариант применения такого зарядного устройства на примере электрического карманного фонаря работающего от аккумулятора.

Принцип работы фонаря простой, при подключении сети переменного тока аккумулятор начинает заряжаться.

Рис. 23. Схема карманного фонаря

Переменное напряжение сети преобразуется мостовой схемой на диодах серии 1N4004, регулятор напряжения на микросхеме серии 7805 обеспечивает постоянное напряжение схемы.

Такой вариант исполнения карманного фонаря очень удобен, в схеме используется минимум элементов и вся конструкция может быть выполнена в корпусе самого фонаря с выводом контактов для подключения к сети переменного тока.

Diotec для сварочных аппаратов

Рассмотрим еще одно из наиболее популярных устройств, где применяются диодные мосты — это сварочные аппараты. На рис.24 приведена схема простейшего бытового сварочного аппарата.

Рис. 24. Схема бытового сварочного аппарата

Данная схема сварочного аппарата напоминает схему любого зарядного устройства для аккумуляторов, за исключением наличия понижающего трансформатора, который позволяет выбрать потребляемый устройством ток.

Выпрямителем здесь является диодный мост серии KBPC5012 (50 А, 1200 В).

Для преобразования зарядного устройства в недорогой сварочный аппарат необходимо сделать несколько доработок: добавить электромагнитное реле для управления током сварки, установить вентилятор для охлаждения трансформатора, а так же поставить систему автоматического регулирования мощности.

На рис.25 приведен еще один вариант построения сварочного аппарата выполненного на базе Pic-микроконтроллера серии PIC16F628. Схема позволяет управлять скоростью подачи проволоки, регулируемая потенциометром.

Рис. 25. Схема бытового сварочного аппарата на PIC16F628

Выпрямитель выполнен на четырех диодах серии 1N5403 (3 А, 300 В). Для индикации параметров сварочного аппарата применен семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом управляемый Pic-микроконтроллером.

Diotec для блоков управления электродвигателем

Электродвигатели бывают постоянного тока и переменного тока, одно, двух и трехфазные, многофазные, коллекторные и бесколлекторные, синхронные и асинхронные, шаговые, вентильные и другие. На базе этих двигателей строятся электроприводные системы с различными вариантами управления, в настоящее время самыми распространенными являются микропроцессорные электроприводы. Электроприводы с цифровым микропроцессорным управлением очень широко применяются не только в промышленных областях, таких как станкостроение, автомобильная промышленность, но и в бытовой технике, медицинской технике, электроинструменте.

Рассмотрим некоторые простые схемы управления электродвигателем.

Схема на рис.26 позволяет управлять электромотором мощностью до 5 кВт, здесь применен двигатель постоянного тока, и простая схема с применением реле. Схема обеспечивает плавный запуск и ручную установку нужной частоты вращения электромотором.

Рис. 26. Схема управления электродвигателем

В схеме управления применен диодный мост серии B125S (1 А, 125 В) в корпусе SO-DIL. Генератора импульсов, выполненный на транзисторе BD238, синхронизирован с периодом пульсации сетевого напряжения. Схема управления подает сигнал на управляющие выводы тиристоров, здесь применены тиристоры серии BT145-R (25 А, 800 В) в корпусе TO220AB. Вместо выпрямительных диодов серии P1000G на ток до 10 А и напряжение 400 В можно применить диодные мосты серии KBPC2512F (800 В, 25 А).

Схемы управления маломощными электродвигателями

Регулировать частоту вращения маломощного коллекторного электродвигателя можно, включая последовательно с ним резистор. Однако такой вариант дает низкий КПД, и не дает возможности делать плавную регулировку вращения. Главное, что такая мера приводит к остановке вращения вала: электродвигатель «зависает» при малом напряжении питания в некотором положении ротора. Схема ШИМ-регулятора оборотов маломощного коллекторного двигателя приведенная на рис.27 свободна от таких недостатков. Такую схему можно так же применять для регулировки яркости свечения ламп накаливания.

Рис. 27. ШИМ-регулятор оборотов маломощного коллекторного электродвигателя

Данная схема выполнена на интегральном таймере серии ICM7555 и позволяет регулировать частоту вращения в пределах от 2 до 98% периода повторения импульсов.

Входная часть регулятора выполнена на диодном мосту серии MS250 (250 В, 0,5 А) в корпусе SuperMicroDIL.

Диодные выпрямители для одно- и трехфазных приложений

Для применения в источниках бесперебойного питания и схемах управления электродвигателем, инверторах и промышленных источниках питания компания Diotec предлагает полупроводниковые диоды и диодные выпрямительные модули. Компания имеет большой портфолио диодных выпрямителей, для построения одно- и трехфазных схем.

Входной выпрямитель можно интегрировать в состав инвертора или использовать как самостоятельный блок. При выборе того или иного элемента схемы необходимо учитывать тепловые характеристики и стоимость схем.

Как инвертор, так и диодный мост рассеивают некоторую мощность. Инвертор и диодный мост, расположенные в одном корпусе имеют ряд ограничений при использовании, т.к. рассеиваемая мощность должны быть отведена с достаточно небольшой площади, в этом случае необходимо ставить радиатор, следствием этого является удорожание схемы. Применение дискретных модулей выпрямителя и инвертора в этом случае может оказаться более целесообразным. Компания Diotec предлагает компромиссное решение в виде отдельного модуля выпрямителя. Такое решение обеспечивает наилучший отвод тепла, а значит и лучше стабильность и срок службы элемента. Серия трехфазных мостов DB с терминалами типа Fast-On и серия DBI в корпусах собственной разработки Diotec с односторонним расположением выводов, наилучшим образом подходит для схем малой и средней мощности.

Трехфазные выпрямители серии DB рассчитаны на ток 15-35 А при напряжении до 1600 В, выпрямители серии DBI рассчитаны на ток до 25 А при напряжении до 1600 В.

В портфолио диодных выпрямителей компании Diotec насчитывается большой перечень однофазных выпрямителей, таких серий как B40, B80, B125/250/380, CS рассчитанных на ток до 7А при напряжении до 1000 В, GBS, GBI, GBU, KBU, KBPC, PB на ток 4-35 А и напряжение до 1600 В. В таблице 2 приведены некоторые наименования диодных выпрямителей этих серий и их краткие характеристики.

Таблица 2. Характеристики одно- и трехфазных диодных выпрямителей

P/N	Упаковка, мм	Импульсное обратное напряжение, VRRM В	Средний ток прямой макс, IFAV А	Ударный прямой ток 50/60 Гц, IFSM А	Напряжение прямое		Ток утечки
					VF В	IF А	IR мкА	VR В
Выпрямители 3-х фазные
DB15/25-005	28,5х28,5х10	50	15/25	275/385	1.05	7.5	10	50
DB15/25-01	28,5х28,5х10	100	15/25	275/385	1.05	7.5	10	100
DB15/25-02	28,5х28,5х10	200	15/25	275/385	1.05	7.5	10	200
DB15/25-04	28,5х28,5х10	400	15/25	275/385	1.05	7.5	10	400
DB15/25-06	28,5х28,5х10	600	15/25	275/385	1.05	7.5	10	600
DB15/25-08	28,5х28,5х10	800	15/25	275/385	1.05	7.5	10	800
DB15/25-10	28,5х28,5х10	1000	15/25	375/385	1.05	7.5	10	1000
DB15/25-12	28,5х28,5х10	1200	15/25	275/385	1.05	7.5	10	1200
DB15/25-14	28,5х28,5х10	1400	15/25	275/385	1.05	7.5	10	1400
DB15/25-16	28,5х28,5х10	1600	15/25	275/385	1.05	7.5	10	1600
DB35-005	28,5х28,5х10	50	35	500	1.02	17.5	10	50
DB35-01	28,5х28,5х10	100	35	500	1.05	17.5	10	100
DB35-02	28,5х28,5х10	200	35	500	1.05	17.5	10	200
DB35-04	28,5х28,5х10	400	35	500	1.05	17.5	10	400
DB35-06	28,5х28,5х10	600	35	500	1.05	17.5	10	600
DB35-08	28,5х28,5х10	800	35	500	1.05	17.5	10	800
DB35-10	28,5х28,5х10	1000	35	500	1.05	17.5	10	1000
DB35-12	28,5х28,5х10	1200	35	500	1.05	17.5	10	1200
DB35-14	28,5х28,5х10	1400	35	500	1.05	17.5	10	1400
DB35-16	28,5х28,5х10	1600	35	500	1.05	17.5	10	1600
DBI15/25-005	40х20х10	200	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	50
DBI15/25-01	40х20х10	400	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	100
DBI15/25-02	40х20х10	600	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	200
DBI15/25-04	40х20х10	800	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	400
DBI15/25-06	40х20х10	1000	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	600
DBI15/25-08	40х20х10	1200	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	800
DBI15/25-10	40х20х10	1400	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	1000
DBI15/25-12	40х20х10	1600	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	1200
DBI15/25-14	40х20х10	50	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	1400
DBI15/25-16	40х20х10	100	15/25	275/385	1.05	7.5/12.5	10	1600
DBI25-005A	35х25х4	50	25	390	1.05	12.5	10	50
DBI25-04A	35х25х4	400	25	390	1.05	12.5	10	400
DBI25-08A	35х25х4	800	25	390	1.05	12.5	10	800
DBI25-12A	35х25х4	1200	25	390	1.05	12.5	10	1200
DBI25-16A	35х25х4	1600	25	390	1.05	12.5	10	1600
DBI6-005	40х20х10	200	6	135	1.05	3	10	50
DBI6-01	40х20х10	400	6	135	1.05	3	10	100
DBI6-02	40х20х10	600	6	135	1.05	3	10	200
DBI6-04	40х20х10	800	6	135	1.05	3	10	400
DBI6-06	40х20х10	1000	6	135	1.05	3	10	600
DBI6-08	40х20х10	1200	6	135	1.05	3	10	800
DBI6-10	40х20х10	1400	6	135	1.05	3	10	1000
DBI6-12	40х20х10	1600	6	135	1.05	3	10	1200
DBI6-14	40х20х10	900	6	135	1.05	3	10	1400
DBI6-16	40х20х10	1000	6	135	1.05	3	10	1600
Мосты выпрямительные
B125C1500A/B	19х3,5х10	250	1.8	50	10	250
B125D	DIL	250	1	40	1.1	1	10	250
B250C1500A/B	19х3,5х10	600	1.8	50	10	600
B250S	DIL	600	1	40	1.1	1	10	600
B380C1500A/B	19х3,5х10	800	1.8	50	10	800
B380D	DIL	800	1	40	1.1	1	10	800
B40C1500A/B	19х3,5х10	80	1.8	50	10	80
B40D	DIL	80	1	40	1.1	1	10	80
B500C1500A/B	19х3,5х10	1000	1.8	50	10	1000
B500S	DIL	1000	1	40	1.1	1	10	1000
B80C1500A/B	19х3,5х10	160	1.8	50	10	160
B80D	DIL	160	1	40	1.1	1	10	160
CS10D	DIL	20	1	40	0.5	1	500	20
GBI10M	32х5,6х17	1000	3	220	10	1000
GBU10M	20,8х3,3х18	1000	8.4	300	1	12	10	1000
KBPC10/15/2500FP
KBPC601	15,2х15,2х6,3	100	3.8	125	1.2	3	10	100
KBU12M	23,5х5,7х19,3	1000	8.4	300	1	12	10	1000
KBU8M	23,5х5,7х19,3	1000	5.6	300	1	8	10	1000
MS500	SuperMicroDIL	1000	0.5	20	1.2	0.5	10	1000
MYS250	MicroDIL	600	0.5	20	1.2	0.5	10	600
PB1001	19х19х6,8	70	10	150	1.2	5	10	35
S80	MiniDIL (TO-269AA)	160	0.8	44	1.2	0.8	10	160

Для применения в одно- и трехфазных схемах компания Diotec предлагает новые полумосты серии S16 в корпусе D2PAK (TO263). Два или три таких полумоста могут легко сформировать одно- или трехфазную схему входного выпрямителя.

Рис. 28. Полумост S16

Такой полумост улучшает процесс автоматической пайки плат и не требует ручного процесса монтажа мост/радиатор в источниках питания и блоках управления двигателем, рассчитанных на работу до нескольких сотен Ватт.

Серия S16 содержит два диода номиналом 8 А, которые могут использоваться, для создания однофазного моста с максимальным током 16 А или трехфазного моста с током до 24 А. Обратное напряжение полумоста достигает 1000 В, максимальный ток перегрузки 135 A при частоте 50 Гц.

Diotec на рынке электронных компонентов

Как видно из рассмотренных примеров области применения диодных выпрямителей, очень велик. Компания Diotec, являющаяся одним из лидеров на рынке полупроводниковых элементов, не ограничивается производством диодных выпрямителей, она имеет сильный портфолио полупроводниковых продуктов диодов и транзисторов общего применения, TVS-диодов (или как еще их называют супрессоры, или ограничительные диоды), быстрые и сверхбыстрые диоды, диоды Шоттки, диоды Зенера и др.

Российский рынок электроники имеет свою специфику работы, и порой цена на компонент становится основным аргументом при выборе того или иного производителя, чем электрические характеристики и их надежность. Многие азиатские производители поставляют свою дешевую продукцию на российский рынок. Компания Diotec является большим подспорьем на российском рынке электронных компонентов для азиатских компаний, обладая высочайшим качеством продукции и приемлемой ценой.

В сочетании с передовыми технологиями и немецким подходом к организации производства продукция Diotec позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности.

Опыт применения компонентов Diotec показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких как International Rectifier (IR), STMicroelectronics, ON-Semiconductors, Vishay, а зачастую и превосходить качественные и ценовые параметры этих производителей.