L7-Diody półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa – rodzaj diody wykonanej z materiałów półprzewodnikowych i zawierającej złącze prostujące. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych – typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem – dioda Schottky'ego. Jest elementem dwukońcówkowym, przy czym końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p – anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu – od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).
Diody te są elementami nieliniowymi. Nieliniowość diod półprzewodnikowych polega na tym, że występujące na nich napięcie wzrasta proporcjonalnie do logarytmu płynącego przez nie prądu: U= A*ln(I) w stałej temperaturze złącza. Wynika z tego, że każdy (np. dziesięciokrotny) wzrost prądu powoduje przyrost napięcia o stałą wartość. W przypadku diod krzemowych jest to około 60 mV w 20 °C. Analogicznie, dwukrotny przyrost prądu powoduje zwiększenie napięcia o około 20 mV. Przedstawienie charakterystyki diody w liniowej funkcji prądu prowadzi do często spotykanego, acz niefortunnie w przypadku diody półprzewodnikowej stosowanego, pojęcia tzw. napięcia progowego (Vd). Wynika ono tylko z właściwości funkcji logarytmicznej przedstawianej liniowo. Różnicę obrazują zamieszczone obok charakterystyki napięciowo-prądowe: liniowa i logarytmiczna.
Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę, jednak gama ich zastosowań jest o wiele szersza, w związku z tym rozróżnia się następujące rodzaje diod:
*stabilizacyjna (dioda Zenera) - stosowana w układach stabilizacji napięcia i prądu
*tunelowa - dioda o specjalnej konstrukcji, z odcinkiem charakterystyki o ujemnej rezystancji dynamicznej
*pojemnościowa (warikap) - o pojemności zależnej od przyłożonego napięcia
*elektroluminescencyjna (LED) - dioda świecąca w paśmie widzialnym lub podczerwonym
*laserowa
*mikrofalowa (np. Gunna)
*detekcyjna - diody niewielkiej mocy, używane w układach modulacji AM
*fotodioda - dioda reagująca na promieniowanie świetlne (widzialne, podczerwone lub ultrafioletowe).
*stałoprądowa
*wsteczna
Przykładowy wykres napięcia na złączu p-n przedstawionego w funkcji logarytmu prądu.(Dioda krzemowa małej mocy):
Charakterystyka prądowo-napięciowa typowej diody uniwersalnej. Na wykresie zaznaczono obszary, w których dioda znajduje się w stanie przebicia (breakdown), jest spolaryzowana w kierunku zaporowym (reverse) oraz przewodzenia (forward). Na rysunku nie została zachowana skala − dla typowej diody napięcie przewodzenia v_{d} jest małe w stosunku do wartości bezwzględnej napięcia przebicia v_{br}.
prostownicza - jej podstawową funkcją jest prostowanie prądu przemiennego.
Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.
Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. w lokomotywach elektrycznych), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej lub jakimkolwiek napięciem przemiennym (np. układy elektryczne samochodów). Prostownikiem jest również detektor diodowy wykorzystywany do detekcji sygnału radiowego zmodulowanego AM lub FM.
Nazwa prostownik jest używana również w języku potocznym jako określenie ładowarki akumulatorów samochodowych. (Technicznie nie jest to jednak określenie poprawne, ponieważ ładowarki takie składają się z: transformatora, prostownika właściwego (często sterowanego - zobacz poniżej), układu regulującego, itd.)
Obecnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych, niemniej jednak stosuje się (lub stosowano) również następujące rozwiązania:
*układy elektrochemiczne, w których na jednej z elektrod zanurzonych w elektrolicie wytwarzała się warstwa zaporowa, blokująca przepływ prądu w jednym *kierunku (przykładowy układ ołów-elektrolit alkaliczny-glin, niob lub tantal)
*prostownicze diody próżniowe (bądź gazowane), popularnie zwane lampami, w których przy spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia elektrony emitowane przez podgrzewaną elektrycznie katodę przemieszczają się do spolaryzowanej dodatnio anody, a w przypadku odwrócenia polaryzacji blokują przepływ prądu (obecnie bardzo rzadko stosowany z uwagi na kłopoty z doprowadzeniem żarzenia)
*układy metal-półprzewodnik stosowane powszechnie przed opracowaniem technologii diod półprzewodnikowych. Stosowane najczęściej zestawy to *prostownik kuprytowy (miedź-tlenek miedzi) oraz prostownik selenowy (metal-selen)
*prostowniki rtęciowe:
*ignitrony - prostowniki rtęciowe, wykonane jako lampy gazowane składające się z anody, ciekłej katody rtęciowej oraz elektrody zapłonowej (ignitora) służącej do wzniecania wyładowania. Stosowane były powszechnie w przemyśle oraz w kolejowych i tramwajowych układach trakcyjnych. Ich najpoważniejszą wadą, która przyczyniła się do ich likwidacji, była ciągła emisja niewielkich ilości par rtęci do środowiska poprzez pompy próżniowe. Ponieważ na podstacjach wyposażonych w prostowniki rtęciowe konieczna była 24 godzinna obsługa, warunki pracy były dla ludzi bardzo niekorzystne.
*ekscitrony (ekscytrony) - gazowane lampy prostownicze składające się z katody rtęciowej, dwóch anod: głównej i pomocniczej oraz mechanicznego urządzenia do wzniecania wyładowania elektrycznego. Anoda pomocnicza służy do podtrzymywania wyładowania, gdy w obwodzie anody głównej nie ma przepływu prądu. Ekscitrony stosowane są w urządzeniach bardzo wielkiej mocy np. elektrolizerach hutniczych.
*senditrony - lampy prostownicze różniące się od ignitronów oraz ekscitronów posiadaniem rtęciowej anody. Używane do końca lat 60. XX w., kiedy to zostały wyparte przez tyrystory.
Schemat ignitronu: (1) anoda, (2) katoda, (3) ignitor, (4) rtęć, (5) izolatory ceramiczne, (6) ciecz chłodząca
Dioda półprzewodnikowa Jednopołówkowe (półokresowe)
schemat
napięcie wyjściowe
Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu - podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie stosowane tylko w układach niewielkiej mocy. Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w zasilaczach impulsowych małych mocy.
Dioda półprzewodnikowa Dwupołówkowe (pełnookresowe)
Trójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym układzie napięcia trójfazowego - zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych powyżej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej mocy, jak np. spawarki transformatorowe. Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość sterowania wartością prądu wyjściowego - zobacz poniżej opis prostowników sterowanych.
sześciodiodowy
sześciodiodowy
Są także prostowniki:
*Prostowniki wielofazowe
*Prostowniki sterowane
*Prostowniki lampowe
*Prostowniki specjalne