Диоды и диодные схемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИОДЫ И ДИОДНЫЕ СХЕМЫ

Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами. Вольт-амперная характеристика диода показана на рис.1.

рис. 1

На условном обозначении направление стрелки диода (так обозначают анод элемента) совпадает с направлением тока. Чаще всего падение напряжения на диоде, обусловленное прямым током через него, составляет от 0,5 до 0,8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении. К другим важнейшим характеристикам, отличающим существующие типы диодов друг от друга, относят: максимальный прямой ток, емкость, ток утечки и время восстановления обратного сопротивления.

Выпрямление

Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный; выпрямительные схемы являются самыми простыми и наиболее полезными в практическом отношении диодными схемами (иногда диоды даже называют выпрямителями). Простейшая выпрямительная схема показана на рис. 1.63. Для синусоидального входного напряжения, значительно превышающего прямое напряжение диода (обычно в выпрямителях используют кремниевые диоды, для которых прямое напряжение составляет 0,6 В), выходное напряжение будет иметь вид, показанный на рис. 3. Если вы вспомните, что диод - это проводник, пропускающий ток только в одном направлении, то нетрудно понять, как работает схема выпрямителя. Представленная схема называется однополупериодным выпрямителем, так как она использует только половину входного сигнала (половину периода).

На рис. представлена схема двухполупериодного выпрямителя, а на рис. показан ее выходной сигнал. Из графика видно, что входной сигнал используется при выпрямлении полностью. На графике выходного напряжения наблюдаются интервалы с нулевым значением напряжения, они обусловлены прямым напряжением диодов.

Фильтрация в источниках питания

Выпрямленные сигналы, полученные с помощью выпрямителей (одно- и двухполупериодных), еще не могут быть использованы как сигналы постоянного тока. Дело в том, что их можно считать сигналами постоянного тока только в том отношении, что они не изменяют свою полярность. На самом деле в них присутствует большее количество "пульсаций" (периодических колебаний напряжения относительно постоянного значения), которые необходимо сгладить для того, чтобы получить настоящее напряжение постоянного тока. Для этого схему выпрямителя нужно дополнить фильтром низких частот. Вообще говоря, последовательный резистор здесь не нужен, и его, как правило, не включают в схему (если же резистор присутствует, то он имеет очень маленькое сопротивление и служит для ограничения пикового тока выпрямителя). Дело в том, что диоды предотвращают протекание тока разряда конденсаторов, и последние служат скорее как накопители энергии, а не как элементы классического фильтра низких частот. Энергия, накопленная конденсатором, определяется выражением .

Если емкость С измеряется в фарадах, а напряжение U - в вольтах, то энергия W будет измеряться в джоулях (в ваттах в 1 с).

Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие (где f -- частота пульсаций), тогда будет обеспечено ослабление пульсаций.

Нагрузка вызывает разряд конденсатора, который происходит в промежутке между циклами (или половинами циклов для двухполупериодного выпрямления) выходного сигнала.

Схемы выпрямителей для источников питания

Двухполупериодная мостовая схема. На рис. представлена схема источника питания постоянного тока с мостовым выпрямителем.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель. Схема такого выпрямителя представлена на рис.. Выходное напряжение при такой схеме получается в 2 раза меньше, чем в схеме мостового выпрямителя. Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя не является эффективной с точки зрения использования трансформатора, т.к. каждая половина вторичной обмотки используется только в одном полупериоде. В связи с этим ток в обмотке за этот интервал времени в 2 раза больше, чем в мостовой двухполупериодной схеме. Согласно закону Ома, температура нагрева обмотки пропорциональна произведению , значит, за время в 2 раза меньшее нагрев будет в 4 раза больше или в среднем больше по сравнению с эквивалентной двухполупериодной схемой.

Расщепление напряжения питания. Широко распространена мостовая однофазная двухполупериодная схема выпрямителя, показанная на рис. Она позволяет расщеплять напряжение питания (получать на выходе одинаковые напряжения положительной и отрицательной полярности). Эта схема эффективна, поскольку в каждом полупериоде входного сигнала используются обе половины вторичной обмотки.

Выпрямители с умножением напряжения. Схема, показанная на рис, называется удвоителем напряжения. Для того, чтобы понять, как работает данная схема, представьте, что она состоит из двух последовательно соединенных выпрямителей. Фактически эта схема является двухполупериодным выпрямителем, т.к. она работает в каждом полупериоде входного сигнала - частота пульсаций в 2 раза превышает частоту колебаний питающей сети.

Стабилизаторы напряжения

Путем увеличения емкости конденсатора можно уменьшить пульсации напряжения до требуемого уровня. Такой способ борьбы с пульсациями имеет два недостатка:

1. Конденсаторы нужной емкости могут оказаться недопустимо громоздкими и дорогими.

2. Даже в том случае, когда пульсации уменьшены до пренебрежимо малого уровня, наблюдаются колебания выходного напряжения, обусловленные уже другими причинами, например, изменения входного напряжения сети ведут к флуктуациям выходного напряжения постоянного тока. Кроме того, изменение выходного напряжения может быть вызвано изменением тока нагрузки, так как трансформатор, диод и другие элементы обладают конечным внутренним сопротивлением. Иначе говоря, для эквивалентной схемы источника питания постоянного тока справедливо соотношение R>>0.

Более правильный подход при разработке источника питания состоит в том, чтобы с помощью конденсатора уменьшить пульсации до некоторого уровня (чтобы они составляли, например, 10% от напряжения постоянного тока), а затем, для устранения остатков пульсаций, использовать схему с обратной связью. Такая схема содержит управляемый резистор (транзистор), подключаемый последовательно к выходу схемы, за счет которого уровень выходного напряжения поддерживается постоянным.

Примеры использования диодов

Выпрямление сигналов. Бывают случаи, когда сигнал должен иметь только одну полярность. Если входной сигнал не является синусоидальным, то говорить о его выпрямлении не принято, хотя процесс выпрямления применим и к нему. Например, требуется получить последовательность импульсов, совпадающих с моментами нарастания прямоугольного сигнала. Проще всего продифференцировать прямоугольный сигнал, а затем его выпрямить. Следует иметь в виду, что прямое напряжение диода составляет приблизительно 0,6 В. На выходе нашей схемы, например, сигнал будет получен лишь в том случае, когда двойная амплитуда прямоугольного входного сигнала будет не меньше 0,6 В. Это условие накладывает определенные ограничения на разработку схемы. Например, можно воспользоваться диодом Шоттки, для которого прямое напряжение составляет около 0,25 В. Можно также воспользоваться схемой, показанной на рис.. Прямое напряжение на диоде Д₂ компенсируется за счет диода Д₁, обеспечивается смещение величиной 0,6 В. Это смещение определяет порог проводимости для Д₂. Формирование смещения с помощью диода Д₁ имеет следующие преимущества (в отличие от делителей напряжения): нет необходимости проводить регулировку уровня смещения, т.к. схема обеспечивает почти идеальную компенсацию; изменение прямого напряжения диодов (связанное, например, с изменением температуры) компенсируется и не сказывается на работе схемы.

Диодные вентили. Еще одна область применения диодов основана на их способности пропускать большее из двух напряжений, не оказывая влияния на меньшее. Рассмотрим схему с резервной батареей питания - она используется в устройствах, которые должны работать непрерывно даже при отключениях питания. Схема включает как раз такую батарею. В отсутствие сбоев питания батарея не работает, при возникновении сбоя питание на схему начинает поступать от батареи, при этом перерыва в подаче питания не происходит.

Диодные ограничители. В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения сигнала, например напряжения, можно воспользоваться схемой, показанной на рис. Благодаря этому напряжение не может превышать значения +5,6 В, при этом наличие диода никак не сказывается на меньших значениях напряжения (в том числе и на отрицательных); единственное условие состоит в том, что отрицательное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя.

Эталонное опорное напряжение можно подавать на ограничитель от делителя напряжения. Если делитель напряжения заменить его эквивалентной схемой, то исходная схема преобразуется к виду, представленному на рис.

Двусторонний ограничитель. Схема, представленная на рис. ограничивает "размах" выходного сигнала и делает его равным падению напряжения на диоде, т.е. приблизительно 0,6 В. Может показаться, что это очень малое напряжение, но если следующим каскадом схемы является усилитель с большим коэффициентом усиления по напряжению, то входной сигнал для него всегда должен быть немногим больше чем 0 В, иначе усилитель попадает в режим "насыщения".

Индуктивные нагрузки и диодная защита

Индуктивность характеризуется следующим свойством: , а из этого следует, что ток нельзя выключить моментально, т.к. при этом на индуктивности появилось бы бесконечное напряжение. На самом деле напряжение на индуктивности резко возрастает и продолжает увеличиваться до тех пор, пока не появится ток. Электронные устройства, которые управляют индуктивными нагрузками, могут не выдержать такого роста напряжения, особенно это относится к компонентам, в которых при некоторых значениях напряжения наступает "пробой".

диод выпрямитель напряжение защита

В исходном состоянии переключатель замкнут и через индуктивность (в качестве которой может выступать обмотка реле) протекает ток. Когда переключатель разомкнут, напряжение "стремится" обеспечить ток между точками А и В, протекающий в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Это значит, что потенциал точки В становится более положительным, чем потенциал точки А. В нашем случае разница потенциалов может достичь 1000 В, прежде чем в переключателе возникнет электрическая дуга, которая и замкнет цепь. При этом укорачивается срок службы переключателя и возникают импульсные наводки, которые могут оказывать влияние на работу близлежащих систем. Если представить, что в качестве переключателя используется транзистор, то срок службы такого переключателя не укорачивается, а просто становится равной нулю.

Чтобы избежать подобных неприятностей, лучше всего подключить к индуктивности диод, как показано на рис. Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении (за счет падения напряжения постоянного тока на обмотке катушки индуктивности). При размыкании переключателя диод открывается и потенциал контакта переключателя становится выше потенциала положительного питающего напряжения на величину падения напряжения на диоде. Диод нужно подобрать так, чтобы он выдерживал начальный ток, протекающему в установившемся режиме через индуктивность.

Единственным недостатком описанной схемы является то, что она затягивает затухание тока через катушку, т.к. скорость изменения этого тока пропорциональна напряжению на индуктивности. В тех случаях, когда ток должен затухать быстро (например, быстродействующие контактные устройства, реле и т.д.), лучший результат можно получить, если к катушке индуктивности подключить резистор, подобрав его таким образом, чтобы величина U_И+IR не превышала максимального допустимого напряжения на переключателе.

Диодную защиту нельзя использовать для схем переменного тока, содержащих индуктивности (трансформаторы, реле переменного тока), т.к. диод будет открыт на тех полупериодах сигнала, когда переключатель замкнут. В подобных случаях рекомендуется использовать так называемую RC-демпфирующую цепочку.

Приведенные на схеме значения R и С являются типовыми для небольших индуктивных нагрузок, подключаемых к силовым линиям переменного тока. Демпфер такого типа следует предусматривать во всех приборах, работающих от напряжений силовых линий переменного тока, т.к. трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку. Для защиты также можно использовать такой элемент, как варистор. Его можно использовать в диапазоне напряжений от 10 до 1000 В для значений токов, достигающих тысяч ампер. Подключение варистора к внешним выводам схемы позволяет не только предотвратить индуктивные наводки на близлежащие приборы, но также погасить большие всплески сигнала, возникающие иногда в силовой линии и представляющие серьезную угрозу для оборудования.

Размещено на Allbest.ru