Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak czytać karty katalogowe? Część 3 - diody prostownicze

ghost666 27 Maj 2018 16:55 2037 3
  • W poprzedniej części artykułu przyjrzeliśmy się liniowym stabilizatorom napięcia. W tej, trzeciej części zanalizujemy kartę katalogową i podstawowe parametry diod prostowniczych. Elementy te to jedne z najbardziej podstawowych diod półprzewodnikowych, z jakich korzysta się w elektronice. Otworzą one część cyklu poświęconą właśnie tego rodzaju elementom.

    Dioda to urządzenie półprzewodnikowe które, w uproszczeniu mówiąc, umożliwia przepływ prądu tylko w jedną stronę. Element taki ma szereg różnorodnych aplikacji, takich jak prostowanie napięcia, jego stabilizacja czy też przetwarzanie sygnałów wysokiej częstotliwości.

    W poprzednich częściach dowiedzieliśmy się, czym jest liniowy stabilizator napięcia i jakie informacje o nim musimy odczytać z karty katalogowej producenta. Teraz podobnie podejdźmy do diod. Musimy odpowiedzieć sobie przede wszystkim na proste pytanie "co to jest dioda?" i w konsekwencji także "dlaczego jest tyle typów diod?". Na obrazku poniżej widzimy przykładową płytkę drukowaną. Znajduje się na niej wiele diod, czy jesteśmy w stanie wszystkie je odnaleźć w układzie? Są to elementy różnego typu, które pełnią różne zadania w urządzeniu elektronicznym.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 3 - diody prostownicze
    Czym jest dioda?

    Jak napisaliśmy powyżej - dioda umożliwia płynięcie prądu tylko w jedną stronę. W drugą stronę po prostu prąd nie jest w stanie płynąć. Obecnie w znakomitej większości diody są budowane z krzemu, jednakże wcześniej istniały diody lampowe i inne. Diody półprzewodnikowe dominują obecnie w elektronice. Więcej o tych elementach przeczytać możemy tutaj albo tutaj lub tutauj. Dobrze jest też posiadać podstawową wiedzę na temat prądu zmiennego (Link) i stałego (Link) (materiały tego rodzaju w przyszłości także zagościć mogą na forum, jeśli chcecie - przyp. red.).





    Na co zwracamy uwagę dobierając diodę?

    Musimy odpowiedzieć sobie na to podstawowe pytanie - jakie parametry są istotne podczas wybierania diody do naszego systemu. Odpowiedź, jak zazwyczaj w elektronice, brzmi "to zależy od aplikacji". Jedną z podstawowych aplikacji diod jest zamiana napięcia przemienne na stałe, czyli prostowanie go. Diody wykorzystywane w tej aplikacji nazywane są diodami prostowniczymi lub po prostu prostownikami. W tej części skupimy się właśnie na tego rodzaju dioda.

    Na poniższej ilustracji widzimy prosty układ - źródło napięcia przemiennego V1, diodę D1 i obciążenie układy RL. Schemat ten narysowano w LTspice, co pozwala nam zasymulować jego działanie i przyjrzeć się wynikom.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 3 - diody prostownicze


    Pokazany powyżej układ to najprostszy możliwy prostownik. Jak widać na oscylogramie poniżej - dioda przepuszcza tylko jedną połówkę napięcia, co daje nam pulsujące napięcie stałe. Jeśli dodamy do takiego układu kondensator filtrujący, to otrzymamy przebieg zbliżony do napięcia stałego. To jest kwestia na inną dyskusję; teraz skupmy się na samej diodzie.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 3 - diody prostownicze


    W powyższym układzie widzimy, że prąd, który zasilać ma układ - tutaj symbolizowany opornikiem RL - w całości płynie przez naszą diodę. Dodatkowo, jeśli spojrzymy dokładnie na wyniki symulacji, widzimy że napięcie za diodą (na obciążeniu) jest mniejsze niż napięcie wejściowe. Oznacza to, że na diodzie występuje pewien spadek napięcia. Spadek napięcia i płynący prąd sprawiają, że na diodzie takiej wydzielać się będzie pewna moc.

    Rozpraszanie mocy

    Jak pamiętamy z części pierwszejk oraz drugiej tego cyklu, jeśli na jakimś elemencie rozpraszana jest moc, rozgrzewa się on. Na szczęście spadek napięcia na diodzie półprzewodnikowej nie jest tak duży jak spadek napięcia na stabilizatorze liniowym w zasilaczu, który poprzednio omawialiśmy, więc nie powinno być problemu... Czy może jednak będzie?

    Aby odpowiedzieć na to pytanie, zajrzyjmy do karty katalogowej diody 1N4001 - dokładnie takiej, jak wykorzystano w modelu SPICE. Karta katalogowa zaczerpnięta została z ON Semiconductor, jednego z producentów tego typu elementów.

    Półprzewodnikowe diody prostownicze z rodziny 1N400x produkowane są od około 1965 roku, gdy Motorola wprowadziła je do swojej oferty. Obecnie produkuje je kilka firm i dostępne są w różnych obudowach itp. Mają one podobne parametry, ale używając elementu konkretnego producenta warto trzymać się danych z karty katalogowej dostarczonej właśnie przez niego.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 3 - diody prostownicze


    W tabelce tej widzimy szereg parametrów dla poszczególnych elementów z tej rodziny. Poszczególne diody różnią się między sobą maksymalnym napięciem wstecznym. Ponadto nie różnią się niczym inny, w całej karcie katalogowej. Dodatkowo, jak widzimy w powyższej tabeli, dokumentacja wymienia trzy różne napięcia wstecznie. Niestety karta katalogowa nie specyfikuje, co one dokładnie znaczą. Podobnież nie tłumaczy znaczenia innych parametrów, jakie zawarte są w karcie katalogowej tych diod, więc warto się nad nimi pochylić i wyjaśnić.

    Część parametrów można zrozumieć analizując samą nazwę:

    * Peak Repetitive Reverse Voltage - Szczytowe, powtarzalne napięcie wsteczne - jest to maksymalne napięcie wsteczne (różnica potencjałów przyłożona do diody odwrotnie niż w kierunku, w którym przewodzi prąd), jakie dioda jest w stanie wytrzymać bez uszkodzenia.
    * Non-Repetitive Peak Reverse Voltage - Szczytowe, jednorazowe napięcie wsteczne - given to, analogicznie jak powyżej, maksymalne napięcie wsteczne, jakie dioda jest w stanie wytrzymać. Z tą różnicą, że jednorazowo i oczywiście w warunkach podanych w karcie.
    * RMS Reverse Voltage - napięcie wsteczne RMS - to maksymalne napięcie przemienne z jakim dioda może pracować. Na przykład dla 1N4001 jest to 35 V RMS, co przekłąda się na 50 V napięcia szczytowego - zasadniczo to samo, co zapisano w karcie katalogowej.

    Koniecznie pamiętać trzeba o tych parametrach wybierając diodę, jaką chcemy wykorzystać. Jeśli chcemy użyć 1N4001 do prostowania napięcia przemiennego 100 V RMS, to możemy się bardzo nieprzyjemnie zaskoczyć uruchamiając układ.

    W momencie, gdy do diody przyłożymy zbyt wysokie dla niej napięcie wsteczne, to nastąpi przebicie i dioda zacznie przewodzić także w kierunku zaporowym, czyli robić dokładnie to, czego typowa dioda nie powinna. Oczywiście, istnieją diody, które zachowują się dokładnie w taki sposób i są zaprojektowane do pracy w taki sposób - np. diody Zenera, jednakże dla większości diod, zwłaszcza diod prostowniczych, nie chcemy, by takie zjawisko nastąpiło, gdyż przyczyny się ono do katastrofalnej awarii naszego układu. W ten sposób uszkodzone mogą zostać i inne elementy układu.

    W idealnym przypadku dobrze by było, aby dioda miała nieskończone napięcie wsteczne, jednakże w rzeczywistości jest to niemożliwe, więc musimy zwracać szczególną uwagę na ten parametr w karcie katalogowej elementu, jaki wybieramy do naszego urządzenia.

    Z ciekawości możemy zasymulować w SPICE, co by się stało, gdyby napięcie AC, przyłożone do układu, zwiększyć z 10 V do 100 V. Wyniki przedstawione są na oscylogramie poniżej. Widać przebicie w postaci napięcia - 50 V na wyjściu - nie jest to coś, co dobrze mógłby znieść układ spodziewający się napięcia stałego na wejściu. Symulacja oczywiście jest uproszczona i nie obejmuje katastrofalnych modów awarii systemu.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 3 - diody prostownicze


    Idąc dalej przez kartę katalogową możemy znaleźć inny istotny parametr - maksymalny prąd w kierunku przewodzenia. Dla diod z tej rodziny jest to 1 A (i 30 A w impulsie). Spadek napięcia na tej diodzie wynosi 1,1 V w impulsie o 0,8 V średnio.

    Prąd wsteczny jest w zakresie mikroamper. Idealnie powinien wynosić zero, ale kilka mikroamperów to dobry wynik jak na 1 A diodę zaprojektowaną w latach '60 XX wieku.

    Na kolejnych stronach karty katalogowej widzimy wykresy. Znajdziemy tutaj wykresy pokazujące spadek napięcia na diodzie w funkcji przyłożonego napięcia, płynącego prądu oraz temperatury. Widzimy, że im wyższe napięcie i prąd tym spadek napięcia wyższy oraz im wyższa temperatura układu, tym spadek napięcia jest niższy.

    Prąd wsteczny zwiększa się z temperaturą diody, a jej pojemność spada w funkcji napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym... pojemność? Nie mówiliśmy nic o pojemności, skąd bierze się ta wartość? Fizyczne diody półprzewodnikowe mają pewną pojemność - dla aplikacji, takich jak prostowniki w zasilaczach parametr ten nie jest istotny, ale w przyszłości się nim zajmiemy, bo pojemność diody jest nie bez znaczenia w innych aplikacjach.

    Zajmijmy się teraz mocą traconą na elemencie. Wiemy, jaki jest spadek napięcia na tym elemencie i jaki prąd przezeń płynie. Możemy zatem policzyć:

    $$P_D = 0,8 V \times 1 A = 0,8 W$$

    800 mW nie wydaje się dużą wartością, ale sam element również nie jest zbyt wielki. Dlatego też wyznaczmy wzrost temperatury elementu w tych warunkach. W karcie katalogowej znaleźć możemy rezystancję cieplną układu. Rezystancja ta zależy w dużej mierze od tego, w jaki sposób dioda jest zamocowana, jak czytamy w karcie katalogowej. W najlepszym wypadku, gdy jedna z nóżek dolutowana jest do wylewki masy lub zasilania, rezystancja cieplna pomiędzy złączem a otoczeniem wynosi 50 °C/W. Najgorszy przypadek to taki, w którym dioda zamontowana jest daleko od PCB, na nóżkach, które nie są przylutowane do żadnej wylewki.

    W optymistycznym przypadku wzrost temperatury elementu wyniesie:

    $$ \delta T = 50 \times 0,8 = 40$$

    Co oznacza, że przy temperaturze otoczenia 25°C temperatura diody wyniesie 65°C. To odrobinę więcej, niż byśmy chcieli (aczkolwiek nadal w granicy dopuszczalnej przez parametry w karcie katalogowej).

    W naszej aplikacji jednak, dioda przewodzi jedynie przez połowę czasu - w czasie drugiej połowy okresu sinusa napięcia prąd nie płynie. Oznacza to, że moc średnia będzie równa połowie obliczonej powyżej mocy, co z kolei sprawi, że temperatura diody wzrośnie o 20°C do 45°C w omawianym przypadku.

    Opisane powyżej rozumowanie możemy powtórzyć oczywiście dla dowolnego innego zestawu parametrów - temperatury otoczenia, prądu i rezystancji termicznej diody w danej obudowie i danym rodzaju montażu na płytce drukowanej. W najgorszym wypadku, jaki opisany jest powyżej, temperatura diody wzrosnąć może nawet o niecałe 70°C - element nadal będzie w zakresie dopuszczalnych temperatur pracy, jednakże uruchamiając układ będziemy musieli pamiętać o gorącym elemencie, by się nie oparzyć.

    Powyższe obliczenia i rozważania po raz kolejny pokazują, że w przypadku elementów mocy rozpraszanie ciepła jest bardzo istotne i nie takie proste, jak się początkowo wydaje. Nawet niewielka moc, może doprowadzić do rozgrzania układu do nieprzyjemnej temperatury.

    W przyszłości omawiać będziemy mniej grzejące się rodzaje diod stosowane np. jako zabezpieczenia układu. A tymczasem zachęcam do zadawania pytań i komentowania trzeciej części artykułu.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-rectifier-diodes


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 27 Maj 2018 23:11
    pawlik118
    Poziom 25  

    Prąd wsteczny diody należy brać pod uwagę przy obliczaniu cieplnej mocy strat w diodach prostowniczych. Szczególnie jest to ważne przy diodach Schottky, gdzie przy wysokich napięciach (np. 200V), wysokiej temperaturze w diodach prostowniczych zasilaczy impulsowych, może okazać się że więcej mocy wydziela się na skutek prądu wstecznego niż prądu w kierunku przewodzenia.

  • #3 04 Cze 2018 10:14
    szeryf3
    Poziom 16  

    Jak dla mnie fajny i ciekawy artykuł. Poczekam na następny części.

  • #4 04 Cze 2018 10:24
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    szeryf3 napisał:
    Jak dla mnie fajny i ciekawy artykuł. Poczekam na następny części.


    Jest już czwarta część o scalonych mostkach: https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3466541.html