Силовые диоды имеют такую конструкцию, на корпусах видна маркировка
Изучить материал, приведенный ниже.
1.1. Изучить тему «Полупроводниковые диоды»
2. Ответить на контрольные вопросы и задания.
Таблица – Контрольные задания
| 1 Определить величину тока в цепи. 2.Указать путь протекания тока (Сопротивление открытого диода равно нулю, закрытого – бесконечности) | 
|
| 1 Определить величину тока в цепи. 2.Указать путь протекания тока. | 
|
| 1 Определить величину тока в цепи. 2.Указать путь протекания тока | 
|
| 1 Определить какие из ламп HL1 – HL4 будут светиться 2.Указать пути протекания тока | 
|
| 1 Определить какие из ламп HL1 – HL4 будут светиться 2.Указать пути протекания тока | 
|
| 1. Определить полярность напряжения на нагрузке. 2.Определить какой(какие) из указанных диодов можно применить в этой схеме: КД 202А;.ГД 108 Б, КД 105В, Д18? | 
|
Общие сведения о полупроводниковых диодах
По конструктивно-технологическому принципу диоды разделяют на точечные и плоскостные.
Точечные диоды рассчитаны на токи до нескольких миллиампер, а плоскостные — до нескольких ампер. Точечные диоды изготовляют в виде тонкой пластинки из полупроводника с электронной проводимостью.
Сверху в пластину упирается контактная пружина из вольфрамовой проволоки, заострённый конец которой покрыт слоем алюминия или индия. Этот слой — акцепторная примесь — обеспечивает создание около заострённого конца полупроводника области с дырочной проводимостью. Для защиты перехода от внешних воздействий его помещают в стеклянный или металлический герметический корпус 1. Точечные диоды благодаря небольшой площади p-n перехода и незначительной ёмкости применяют в высокочастотных схемах.
|
|
|
Плоскостные диоды выполняют в виде пластинки, закреплённой на держателе. В эту пластинку сплавлением или диффузией внедряют атомы индия или германия, или алюминия или кремния, образуя n пе
реход. Верхний контакт представляет собой массивную деталь, способную пропускать значительные токи и рассеивать тепло. Всё это
помещают в герметизированный корпус с выводом, изолированным стеклянным изолятором. Для изготовления плоскостных диодов с небольшой междуэлектродной ёмкостью используют специальные технологические приёмы. В результате получают диоды с малой ёмкостью переходов. В качестве основного материала при изготовлении диодов используют германий, кремний, арсенид и фосфид галлия.
Исходя из назначения и функций, которые выполняют диоды,их можно разделить на несколько видов.
Выпрямительные диоды — предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты. В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, допускающие большие токи.
|
|
|
Исходный материал для выпрямительных диодов широкого диапазона мощностей — кремний.
Высокочастотные диоды — предназначены для выпрямления переменного тока в широком диапазоне частот, а также для других
нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных (универсальных) диодов применяют диоды точечной конструкции.
Импульсные диоды — применяются в схемах генерирования и усиления импульсов микросекундного и наносекундного диапазонов
— изготавливаются на основе германия или кремния в виде плоскостной или точечной конструкции.
Туннельные диоды — применяют в качестве усилителей или генераторов высокочастотных колебаний, в разнообразных импульсных схемах в качестве переключателей. Выполняют диоды из кремния, германия или арсенида галлия плоскостного типа.
Диоды с барьером Шотки — выполняют на основе структуры металл-полупроводник. Применяют для генерирования электрических колебаний, преобразования амплитуды и частоты, а также световой энергии в электрическую. Такие диоды технологичны в изготовлении и обладают высоким быстродействием.
|
|
|
Светодиоды — используют в качестве световой индикации наличия тока; в зависимости от выбранного материала или ширины запрещённой зоны имеют разные цвета свечения (жёлтый, красный,зелёный).
Стабилитроны и стабисторы — предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменениях значения протекающего через него тока. Рабочий участок стабилитронов — обратная часть__вольт-амперной характеристики; у стабисторов — прямой участок характеристики.
Варикапы — полупроводниковые диоды, ёмкость которых можно изменять в широких пределах. Конструктивно их выполняют плоскостного типа на основании кремния, германия или арсенида галлия.
Выпрямительные диоды
Общие сведения
Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Диапазон токов этих широко используемых на железнодорожном транспорте приборов весьма велик: от десятков миллиампер (в устройствах железнодорожной автоматики и связи) до десятков ампер (в аппаратуре подвижного состава и тягового электроснабжения). Для получения
большого прямого тока увеличивают площадь p-n перехода. Поэтому многие выпрямительные диоды плоскостные.
Выпрямительный полупроводниковый диод представляет собой прибор с одним p-n переходом и двумя выводами. Вывод, к которому течёт ток из внешней электрической цепи при прямом включении диода (вывод из зоны типа p), называют анодным; вывод, от
|
|
|
которого прямой ток направляется во внешнюю цепь (вывод из зоны
типа n), именуют катодом.
Основные параметры
Эксплуатационные свойства выпрямительных диодов характеризуют их параметры, приводимые в справочной литературе.
Номинальные значения токов и напряжений определяются ветвями вольт-амперной характеристики диода: Uпр — постоянное прямое напряжение диода при заданном постоянном токе Iпр; Iобр — постоянный обратный ток диода, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении Uобр.
Предельный режим работы прибора характеризуют максимально допустимые параметры, значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации.
К ним относятся:
— Uобрmax — максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода, превышение его ведёт к пробою p-n перехода и выходу диода из строя;
— Iпр max — максимально допустимый постоянный прямой ток определяется условиями нагрева прибора.
При кратковременном(импульсном) воздействии тока значение его может быть увеличено. Соответственно различают максимально допустимый импульсный прямой ток;
— Рср.дmax — максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях.
Максимально допустимые параметры диода снижаются при повышении температуры. В полупроводниковых диодах следует различать сопротивление диода в прямом направлении R0 пр, которое относительно мало, и сопротивление диода в обратном направлении R0обр, которое относительно велико, но не равно бесконечности.
Для полупроводникового диода установились следующие понятия, характеризующие его свойства:
прямой ток (Iпр) — это ток, протекающий через диод в прямом направлении. Его максимальная величина при длительном протекании не должна вызывать недопустимого перегрева диода и заметного изменения его характеристики;
выпрямленный ток — это среднее значение выпрямленного тока или постоянная составляющая пульсирующего тока;
обратный ток (Iобр) — это ток, протекающий через диод, когда к диоду приложено обратное напряжение.
Силовой диод
Силовые диоды выполняют из монокристалла кремния. Для получения p-n перехода используют сплавной или диффузионный метод. Для обеспечения надёжного отвода тепла от p-n перехода используют охладительные радиаторы. Наибольшая температура, при которой работают кремниевые диоды, до 140 °С и определяется условиями надёжности спаянных соединений.
Параметры, характеризующие силовые полупроводниковые диоды:
— номинальный прямой ток Iном — это такой ток, который может проходить через диод длительное время, не перегревая его;
— падение напряжения в проводящем направлении ΔU при номинальном токе;
— обратное максимальное напряжение Uобр max, при превышении которого происходит пробой диода;
— обратное номинальное напряжение Uобр ном, при котором диод может работать длительное время, не пробиваясь;
— обратный ток Iобр, возникающий при приложении обратного номинального напряжения;
— тепловое сопротивление Rт = Dτ/Р, °С/Вт — способность конструкции диода отводить тепло, выделяющееся в нём в процессе работы.
Силовые кремниевые диоды делятся на классы, группы и подгруппы. Класс диода зависит от значения обратного номинального напряжения и определяется как соотношение Uобрном /100.
Группа диода определяется значением падения в прямом направлении при
номинальном токе Iном. Обозначаются группы буквами от А до Е. Так, падение напряжения группы А равно 0,4—0,5 В, группы Б — 0,5—0,6 В; группы Е — 0,9—1,0 В. Каждая группа делится на три подгруппы, отличающиеся значением падения напряжения (0,4—0,42; 0,44—0,46; 0,48—0,5 В).
Маркировку диода наносят на корпус. Она включает в себя все параметры, которые необходимо знать в условиях эксплуатации.
Например, маркировка В200-8-54 означает: вентиль кремниевый, номинальный ток 200 А, 8-й класс (обратное номинальное напряжение 800 В), группа Б, т.к. падение напряжения при номинальном токе равно 0,54 В. Более современное обозначение диода Д161-200-18.
Лавинные вентили имеют такую же маркировку. Например, ВЛ200-10-55 означает: вентиль кремниевый, лавинный, номинальный ток 200А, 10-й класс (обратное напряжение 1000В), прямое падение напряжения 0,55 В.
Схемы включения диодов
Амплитуда обратного напряжения Uвхm, подаваемого на диод, не должна превышать его максимально допустимое обратное напряжение Uобрmax; максимально допустимый прямой ток диода должен быть больше амплитуды тока нагрузки.
Если амплитуда Uвхm превышает Uобрmax, то несколько диодов соединяют последовательно (Рис.3.13
Число последовательно соединяемых диодов
n = 
где Kз — коэффициент запаса, обычно Kз =1,2 -- 1,4.
Многие типы полупроводниковых диодов имеют большой разброс значений обратного сопротивления Rобр. Поэтому обратное напряжение распределяется неравномерно между последовательно включёнными диодами. Наибольшее напряжение приходится на диод, имеющий максимальное значение Rобр, что может привести к его пробою, а затем и к пробою всех диодов цепи. Для устранения этого каждый диод шунтируют высокоомным резистором Rш (рис. 3.13). Сопротивление Rш выбирают так, чтобы ток, протекающий через цепь шунтирующих резисторов,был в 5–10 раз больше обратного тока в цепи диодов
Если ток нагрузки превышает обратный ток диода, диоды соединяют параллельно (рис. 3.14). Чтобы избежать неравномерного распределения тока между диодами из-за неравенства их сопротивлений, при прямом включении подбирают диоды с одинаковыми прямыми ветвями вольтамперной характеристики или включают последовательно с каждым диодом балластное сопротивление Rб. Число параллельно соединяемых диодов
n = 
где 
– максимальный ток нагрузки, протекающий через диод;
– максимальный прямой ток диода;
Kз — коэффициент запаса, обычно Kз =1,2 -- 1,4.
По отношению к нагрузке диоды могут быть включены последовательно и параллельно. Рассмотрим схему последовательного соединения диода и нагрузки, применяемую для выпрямления переменного тока
А) Б)
Рисунок 1 – Последовательное соединение диода и нагрузки
В этой схеме через диод и нагрузку Rн протекает один ток, а переменное напряжение, поступающее на них со вторичной обмотки трансформатора, периодически с частотой 50 Гц изменяет полярность.
Допустим, что при поступлении положительной полуволны напряжения на верхнем выводе вторичной обмотки будет положительный потенциал, а на нижнем – отрицательный (Рис.1А). В этом случае диод будет находиться под воздействием прямого напряжения («плюс» -на аноде, «минус» - на катоде, направление протекания тока от источника питания(трансформатора) в этом случае совпадает с направлением тока через диод), диод «откроется», и через нагрузку потечет ток (направление протекания тока показано красной стрелкой). При этом на резисторе нагрузки выделится напряжение положительной полуволны (Для простоты рассуждений будем условно считать, что сопротивление открытого диода равно нулю). При этом через диод будет протекать ток, максимальная величина Im которого определяется по формуле
Im = 
,
где Um –амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора;
Rн – сопротивление нагрузки.
При поступлении отрицательной полуволны напряжения на верхнем выводе вторичной обмотки будет отрицательный потенциал, а на нижнем – положительный (Рис.1Б). В этом случае диод будет находиться под воздействием обратного напряжения («плюс» -на катоде, «минус» - на аноде, направление протекания тока от источника питания(трансформатора) в этом случае не совпадает с направлением тока через диод (показано синей стрелкой), диод «закроется», и через нагрузку ток не потечет. (Для простоты рассуждений будем условно считать, что сопротивление закрытого диода бесконечно велико). Т.к. ток в цепи отсутствует, то на резисторе нагрузки напряжение во все время действия отрицательной полуволны будет равно нулю. При этом все напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к диоду, т.е. диод будет находиться под обратным напряжением, равным напряжению, поступающему с обмотки трансформатора. В результате работы схемы на нагрузке будут выделяться только положительные полуволны напряжения, т.е. на нагрузке будет присутствовать постоянное положительное напряжение.
Таким образом, выпрямительный диод должен иметь обратное максимальное напряжение 
напряжение вторичной обмотки трансформатора 
, и выдерживать максимальный прямой ток Iпр.макс., больший, чем максимальный ток нагрузки Im.
Рассмотрим схему параллельного соединения диода и нагрузки (Рис.2).
~ 
А) Б)
Рисунок 2 – Параллельное включение диода и нагрузки.
Как и в предыдущем случае для простоты рассуждений будем условно считать, что сопротивление закрытого диода бесконечно велико, а сопротивление открытого диода равно нулю. Отличительной особенностью этой схемы от предыдущей является обязательное наличие ограничительного сопротивления Rогр.
При поступлении со вторичной обмотки трансформатора положительной полуволны напряжения (Рис.2А) диод будет находиться под воздействием обратного напряжения («плюс» -на катоде, «минус» - на аноде, направление протекания тока от источника питания(трансформатора) в этом случае не совпадает с направлением тока через диод, диод «закроется», и ток через него протекать не будет. Ток будет протекать через последовательно включенные ограничительное сопротивление и сопротивление нагрузки. При этом на нагрузке выделится напряжение положительной полуволны.
При поступлении отрицательной полуволны напряжения на верхнем выводе вторичной обмотки будет отрицательный потенциал, а на нижнем – положительный (Рис.2Б).
В этом случае диод будет находиться под воздействием прямого напряжения («плюс» -на аноде, «минус» - на катоде, направление протекания тока от источника питания(трансформатора) в этом случае совпадает с направлением тока через диод), диод «откроется», и через него потечет ток (направление протекания тока показано красной стрелкой). При этом ток через резистор нагрузки протекать не будет, т.к. открытый диод имея очень маленькое сопротивление, шунтирует сопротивление нагрузки, и весь ток течет через диод. Т.к. сопротивление нагрузки оказывается закороченным, то напряжение на нем будет равно нулю. В результате на нагрузке, как и в предыдущей схеме, будут выделяться только положительные полуволны напряжения, т.е. на нагрузке будет присутствовать постоянное положительное напряжение.
Теперь поясним необходимость наличия ограничительного сопротивления Rогр. Если в схему не установить этот резистор, то при поступлении отрицательной полуволны о открытии диода схема будет иметь вид, представленный на Рис.3.
Рисунок 3
Из рисунка видно, что открытый диод в таком случае создает в схеме короткое замыкание, замыкая накоротко обмотку трансформатора. Ток в схеме будет очень большим, что приведет выходу из строя либо диода, трансформатора и соединительных проводов.
Ограничительное сопротивление выбирается, исходя из одновременного выполнения следующих условий:
1) Rогр ˃ 
;
2) Rогр ˂˂ 
.
КРАТКИЙ КОНСПЕКТ УРОКА
Классификация диодов производится по следующим основным признакам: конструкции ,мощности, частоте, назначению.
Маломощные – ток<0,3A, средней мощности – ток до 10А, большой мощности – ток более 10 А
НЧ- 30кГц, ВЧ – 300МГц, СВЧ – более 300 МГц
Выпрямительные – для выпрямления НЧ, стабилитроны – для стабилизации напряжения на нагрузке, Варикапы – используют емкость p-n перехода, импульсные – для импульсных схем, быстрое переключение
УГО п\проводникового диода выполняется в виде равностороннего треугольника (символ анода), который вместе с пересекающей его линией связи образует стрелку. Она показывает направление протекания тока через диод. Короткая вертикальная черта, пересекающая линию связи, символизирует катод. Вывод анода делается от Р - области, катода – от области n.
Маркировка диодов состоит из четырех групп и наносится на корпус прибора, по возможности. Например, расшифруйте маркировку КД305Д, ГД 507Б, 3И102Б
Силовые диоды имеют такую конструкцию, на корпусах видна маркировка
1) ( участок О-Д) - При подаче прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается, ток нарастает по нелинейному закону.
2) (участок Д-Е и далее )При некотором напряжении(+0,2 -- 0,6 В) запирающий слой исчезает, ВАХ становится почти линейной. Небольшая нелинейность этого участка объясняется нагревом полупроводников, и их сопротивление уменьшается, а ток возрастает.
3) ( участок О-А) - При увеличении обратного напряжения обратный ток сначала возрастает, т.к. уменьшается диффузионный ток, и далее ток растет незначительно.
4) (участок А-Б-В) - При некотором значении обратного напряжения возникает электрический пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается . Причем на участке Б-В напряжение на диоде при изменении тока остается практически неизменным.
5) (участок В-Г) - При дальнейшем увеличении обратного напряжения наступает тепловой пробой .
- Iпр.max. - максимальный ток через диод, при превышении которого диод может выйти из строя
Uобр.max- максимальное обратное напряжение, при котором еще будет надежно работать диод
Uэл.проб. – обратное напряжение , при котором наступает электрический пробой диода Все параметры могут быт найдены по ВАХ диода.
Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.
По отношению друг к другу и по отношению к нагрузке диоды могут включаться последовательно либо параллельно.
Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов. Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.
Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов. Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.
Что может произойти в схеме, если не устанавливать выравнивающие резисторы?- Из-за разброса параметров диодов ток или напряжение на одном из них может превысить допустимый уровень, диод выйдет из строя, а следом выйдут из строя все остальные..
Недостаток таких схем – пониженный уровень надежности.
Последовательное включение диода и нагрузки имеет место в различных выпрямителях, логических схемах . При этом через диод и нагрузку протекает один ток, равный току нагрузки.
Параллельное включение диода и нагрузки используется в схемах ограничения напряжения, схемах защиты. Отличительной особенностью параллельной схемы является наличие ограничительного резистора R огр. Этот резистор ограничивает ток через открытый диод, предохраняя его от пробоя, и одновременно защищает источник питания от перегрузки по току
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 22; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!