Diodele de putere sunt joncțiuni PN semiconductoare capabile să treacă curenți mari la valori de înaltă tensiune pentru utilizare în circuite redresoare.

În tutorialele anterioare am văzut că o diodă de semnal va conduce curent numai într-o direcție, de la anodul său la catodul său (direcția înainte), dar nu în sens invers, acționând puțin ca o supapă electrică cu o cale.

O aplicație pe scară largă a acestei caracteristici, și a diodelor în general, se referă la conversia unei tensiuni alternative (AC) într-o tensiune continuă (DC). Cu alte cuvinte, redresarea.

Dar diodele mici de semnal pot fi de asemenea folosite ca redresoare în aplicații cu curent redus (mai puțin de 1 amper), dar în cazul în care curenții mai mari de polarizare directă sau tensiunile de blocare în polarizare inversă mai mari implică joncțiunea PN a unei diode mici de semnal să se supraîncălzească, eventual să se topească, trebuie să se utilizeze diode de putere, mai mari și mai robuste.

Dioda semiconductoare de putere, cunoscută simplu ca dioda de putere, are o zonă de joncțiune PN mult mai largă comparativ cu dioda de semnal mai mică, rezultând o capabilitate de curent direct înaltă până la câteva sute de amperi (KA) și o tensiune de blocare inversă de câteva mii de volți (KV).

Deoarece dioda de putere are o joncțiune PN largă, nu este potrivită pentru aplicații de înaltă frecvență de peste 1MHz, dar sunt disponibile diode scumpe de înaltă frecvență și înalți curenți. Pentru aplicațiile de redresare de frecvență înaltă, diodele Schottky sunt utilizate, în general, datorită timpului redus de recuperare inversă și căderii de tensiune joasă în starea lor de polarizare directă.

Diodele de putere oferă o redresare necontrolată a puterii și sunt utilizate în aplicații precum încărcarea bateriilor și alimentarea cu curent continuu, precum și redresoare AC și invertoare. Datorită caracteristicilor lor de curenți și tensiuni mari, ele pot fi de asemenea utilizate ca diode freewheeling și rețele snubber.

Diodele de putere sunt proiectate pentru a avea o rezistență "ON" directă de fracțiunile unui ohm, în timp ce rezistența lor la blocarea inversă se află în gama de mega-ohmi. Unele dintre diodele de putere, de mai mare valoare, sunt proiectate pentru a fi „montate cu șurub“ pe radiatoare reducând rezistența lor termică între 0,1 până la 1°C/W.

Dacă se aplică o tensiune alternativă pe o diodă de putere, în alternanța pozitivă, dioda va conduce curentul iar în alternanța negativă dioda nu va conduce, blocând circulația curentului. Atunci, conducția prin dioda de putere are loc numai în timpul alternanței pozitive și este, prin urmare, unidirecțională, adică DC, așa cum se arată.

Redresor cu diodă de putere

Diodele de putere pot fi utilizate individual, ca mai sus, sau conectate împreună, pentru a produce o varietate de circuite redresoare cum ar fi "monoalternanță", "bialternanță" sau "punte redresoare". Fiecare tip de circuit redresor poate fi clasificat ca fiind fie necontrolat, fie semicontrolat sau complet controlat, unde un redresor necontrolat utilizează numai diode de putere, un redresor controlat complet utilizează tiristoare (SCR) și un redresor semi-controlat este un amestec de diode și tiristoare.

Cea mai frecvent utilizată diodă de putere individuală pentru aplicațiile electronice de bază este dioda redresoare din seria 1N400x, din sticlă pasivată, cu curent nominal continuu de aprox. 1,0 amper și tensiuni nominale de blocare inversă de la 50 V pentru 1N4001 până la 1000 V pentru 1N4007, cu micul 1N4007GP fiind cel mai popular pentru redresarea tensiunii de rețea de uz general.

Redresarea monoalternanță

Un redresor este un circuit care convertește puterea de intrare de curent alternativ (AC) într-o putere de ieșire de curent continuu (DC). Sursa de alimentare de intrare poate să fie o sursă de alimentare monofazată, sau una multi-fazată, cea mai simplă dintre toate circuitele redresorului fiind aceea a redresorului monoalternanță.

Dioda de putere într-un circuit de redresare monoalternanță trece doar o jumătate din fiecare undă sinusoidală a sursei AC pentru a o transforma într-o sursă DC. Atunci, acest tip de circuit este numit redresor "monoalternanță", deoarece trece doar o alternanță din sursa de curent alternativ, așa cum se arată mai jos.

Circuit de redresare monoalternanță

În timpul fiecărei alternanțe "pozitive" a undei sinusoidale AC, dioda este polarizată direct, deoarece anodul este pozitiv în raport cu catodul, rezultând curentul care trece prin diodă.

Deoarece sarcina DC este rezistivă (rezistorul R), curentul care curge prin rezistorul de sarcină este proporțional cu tensiunea (Legea lui Ohm), iar tensiunea pe rezistorul de sarcină va fi aceeași cu tensiunea de alimentare Vs (minus Vƒ), adică tensiunea „DC“ pe sarcină este sinusoidală pentru alternanța pozitivă, astfel Vout = VS.

În timpul alternanței "negative" a formei de undă sinusoidale de intrare, dioda este polarizată invers, deoarece anodul este negativ față de catod. Prin urmare, curentul nu trece prin diodă sau circuit. Atunci, în alternanța negativă a ciclului de alimentare, nu curge curent prin rezistorul de sarcină, deoarece nu apare nici o tensiune pe acesta, deci Vout = 0.

Curentul pe partea DC a circuitului curge într-o direcție, făcând circuitul unidirecțional. Deoarece rezistorul de sarcină primește de la diodă o jumătate pozitivă a formei de undă, zero volți, o jumătate pozitivă a formei de undă, zero volți etc, valoarea acestei tensiuni neregulate ar fi egală cu valoarea unei tensiuni DC echivalente = 0,318*Vmax din forma de undă sinusoidală de intrare sau 0,45*Vrms din forma de undă sinusoidale de intrare.

Atunci, tensiunea DC echivalentă VDC pe rezistorul de sarcină se calculează după cum urmează.

Calculați VDC și curentul IDC, care curge printr-un rezistor de 100 Ω conectat la un redresor monofazat de 240 Vrms, așa cum se arată mai sus. Calculați, de asemenea, puterea DC consumată de sarcină.

În timpul procesului de redresare, tensiunea și curentul de ieșire DC sunt, prin urmare, ambele "ON" și "OFF" în timpul fiecărui ciclu. Deoarece tensiunea pe rezistorul de sarcină este prezentă numai în timpul alternanței pozitive a ciclului (50% din forma de undă de intrare), aceasta conduce la o valoare DC medie scăzută care este furnizată sarcinii.

Variația formei de undă redresate de ieșire între condițiile "ON" și "OFF" produce o formă de undă care are cantități mari de "ripple" care este o caracteristică nedorită. Riplul DC rezultat are o frecvență egală cu cea a frecvenței de alimentare AC.

Foarte des, atunci când redresăm o tensiune alternativă, dorim să producem o tensiune DC "constantă" și continuă, fără a avea vreo variație sau riplu de tensiune. O cale de a face acest lucru este de a conecta un condensator de mare valoare între bornele tensiunii de ieșire în paralel cu rezistorul de sarcină, după cum se arată mai jos. Acest tip de condensator este cunoscut în mod obișnuit ca un "rezervor" sau un condensator de netezire.

Redresor monoalternanță cu condensator de netezire

Atunci când redresarea este utilizată pentru a furniza o sursă de tensiune directă (DC) de la o sursă alternativă (AC), cantitatea de tensiune riplu poate fi redusă prin folosirea unor condensatoare de valoare mai mare, dar există limite atât la cost cât și la dimensiune la tipurile condensatoarelor de netezire utilizate.

Pentru o valoare dată a unui condensator, un curent de sarcină mai mare (rezistență de sarcină mai mică) va descărca mai repede condensatorul (Constanta de timp RC) și astfel va crește riplu obținut. Deci, pentru circuitul redresor monoalternanță, folosind o diodă de putere, nu este foarte practic să încercați și să reduceți tensiunea de riplu cu un condensator de netezire singur. În acest caz, ar fi mai practic să folosiți "Redresarea bialternanță".

În practică, redresorul monoalternanță este utilizat în aplicații de putere redusă datorită dezavantajelor lui majore. Amplitudinea de ieșire este mai mică decât amplitudinea de intrare, nu există nici o ieșire în timpul alternanței negative, astfel încât jumătate din putere este irosită și ieșirea este DC pulsată rezultând un riplu excesiv.

Pentru a depăși aceste dezavantaje, un număr de diode de putere sunt conectate împreună pentru a produce un redresor bialternanță, așa cum este discutat în tutorialul următor.

REFERINȚE:

Dioda semiconductoare

Redresoare de tensiune