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Eine weit verbreitete Anwendung dieser Funktion und von Dioden im Allgemeinen ist die Umwandlung einer Wechselspannung (AC) in eine kontinuierliche Spannung (DC). Mit anderen Worten: Gleichrichtung.
Kleine Signaldioden können jedoch auch als Gleichrichter in Gleichrichtern oder Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und weniger Strom (weniger als 1 Ampere) verwendet werden, jedoch mit größeren Vorwärtsvorspannungsströmen oder höherem Rückwärtsgang Vorspannungssperrspannungen sind beteiligt. Der PN-Übergang einer kleinen Signaldiode würde schließlich überhitzen und schmelzen, so dass stattdessen größere, robustere Leistungsdioden verwendet werden.
Die Leistungshalbleiterdiode, einfach als Leistungsdiode bekannt, hat viel Größerer PN-Übergangsbereich im Vergleich zu seinem Cousin mit kleinerer Signaldiode, was zu einer hohen Durchlassstromfähigkeit von bis zu mehreren hundert Ampere (KA) und einer Rückwärtssperrspannung von bis zu mehreren tausend Volt (KV) führt.
Da die Leistungsdiode einen großen PN-Übergang hat, ist sie nicht für Hochfrequenzanwendungen über 1 MHz geeignet, es sind jedoch spezielle und teure Hochfrequenz-Hochstromdioden verfügbar. Für Hochfrequenzgleichrichteranwendungen werden Schottky-Dioden im Allgemeinen aufgrund ihrer kurzen Rückwärtswiederherstellungszeit und ihres geringen Spannungsabfalls in ihrem Vorwärtsvorspannungszustand verwendet. Leistungsdioden bieten eine unkontrollierte Gleichrichtung der Leistung und werden in Anwendungen wie dem Laden von Batterien verwendet und Gleichstromversorgungen sowie Wechselstromgleichrichter und Wechselrichter. Aufgrund ihrer hohen Strom- und Spannungseigenschaften können sie auch als Freilaufdioden und Dämpfungsnetzwerke verwendet werden.
Leistungsdioden sind so ausgelegt, dass sie einen Vorwärts-EIN-Widerstand von Bruchteilen eines Ohm aufweisen, während sie rückwärts blockieren Der Widerstand liegt im Mega-Ohm-Bereich. Einige der leistungsstärkeren Leistungsdioden sind so konstruiert, dass sie auf Kühlkörpern „mit Bolzen montiert“ werden und ihren Wärmewiderstand auf 0,1 bis 1 ° C / Watt reduzieren.
Wenn während des positiven Vorgangs eine Wechselspannung an eine Leistungsdiode angelegt wird Halbzyklus Die Diode leitet Durchgangsstrom und während des negativen Halbzyklus blockiert die Diode nicht den Stromfluss. Dann erfolgt die Leitung durch die Leistungsdiode nur während der positiven Halbwelle und ist daher unidirektional, dh Gleichstrom, wie gezeigt. Leistungsdiodengleichrichter Leistungsdiodengleichrichter Leistung Dioden können einzeln wie oben verwendet oder miteinander verbunden werden, um eine Vielzahl von Gleichrichterschaltungen wie „Halbwelle“, „Vollwelle“ oder „Brückengleichrichter“ zu erzeugen. Jeder Gleichrichtertyp kann entweder als unkontrolliert, halbgesteuert oder vollständig gesteuert klassifiziert werden, wenn ein unkontrollierter Gleichrichter nur Leistungsdioden verwendet, ein vollständig gesteuerter Gleichrichter Thyristoren (SCRs) verwendet und ein halbgesteuerter Gleichrichter eine Mischung aus Dioden und Thyristoren ist.
Die am häufigsten verwendete einzelne Leistungsdiode für grundlegende elektronische Anwendungen ist die universelle glaspassivierte Gleichrichterdiode der Serie 1N400x mit Standardwerten für einen kontinuierlichen gleichgerichteten Durchlassstrom von 1,0 Ampere und einer Sperrspannung von 50 V für den 1N4001 bis zu 1000 V für den 1N4007, wobei der kleine 1N4007GP für die allgemeine Netzspannungsgleichrichtung am beliebtesten ist.
Halbwellengleichrichtung
Ein Gleichrichter ist eine Schaltung, die den Wechselstrom umwandelt ( AC) Eingangsleistung in eine Gleichstrom (DC) Ausgangsleistung. Die Eingangsstromversorgung kann entweder eine einphasige oder eine mehrphasige Versorgung sein, wobei die einfachste aller Gleichrichterschaltungen die des Halbwellengleichrichters ist.
Die Leistungsdiode in einer Halbwellengleichrichterschaltung verläuft Nur die Hälfte jeder vollständigen Sinuswelle der Wechselstromversorgung, um sie in eine Gleichstromversorgung umzuwandeln. Diese Art von Schaltung wird dann als „Halbwellen“ -Gleichrichter bezeichnet, da sie nur die Hälfte der eingehenden Wechselstromversorgung durchläuft, wie unten gezeigt.
Halbwellengleichrichterschaltung
Halbwelle Gleichrichterschaltung
Während jeder „positiven“ Halbwelle der Wechselstrom-Sinuswelle ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt, da die Anode in Bezug auf die Kathode positiv ist, was dazu führt, dass Strom durch die Diode fließt.
Da die Gleichstromlast ohmsch ist (Widerstand, R), ist der im Lastwiderstand fließende Strom daher proportional zur Spannung (Ohmsches Gesetz), und die Spannung am Lastwiderstand entspricht daher der Versorgungsspannung , Vs (minus Vf), dh die „DC“ -Spannung über der Last ist nur für den ersten Halbzyklus sinusförmig, so dass Vout = Vs.
Während jedes „negativen“ Halbzyklus der sinusförmigen AC-Eingangswellenform ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt, da die Anode in Bezug auf die Kathode negativ ist. Daher fließt kein Strom durch die Diode oder den Stromkreis. Dann fließt in der negativen Halbwelle der Versorgung kein Strom im Lastwiderstand, da keine Spannung über ihm auftritt. Daher ist Vout = 0. Der Strom auf der Gleichstromseite der Schaltung fließt in eine Richtung macht die Schaltung nur unidirektional.Wenn der Lastwiderstand von der Diode eine positive Hälfte der Wellenform, Null Volt, eine positive Hälfte der Wellenform, Null Volt usw. empfängt, wäre der Wert dieser unregelmäßigen Spannung gleich einer äquivalenten Gleichspannung von 0,318 x Vmax der sinusförmigen Eingangswellenform oder 0,45 x Veff der sinusförmigen Eingangswellenform.
Dann wird die äquivalente Gleichspannung VDC über dem Lastwiderstand wie folgt berechnet.
Halbwellengleichrichter-Wellenform
gleichgerichtete Gleichspannungsgleichung
Wobei Vmax der Maximal- oder Spitzenspannungswert der sinusförmigen Wechselstromversorgung und VS der Effektivwert (Root Mean Squared) der Versorgung ist.
Leistungsdiodenbeispiel Nr. 1
Berechnen Sie die Spannung über VDC und den Strom IDC, die durch einen 100Ω-Widerstand fließt, der wie oben gezeigt an einen einphasigen Halbwellengleichrichter mit 240 Veff angeschlossen ist. Berechnen Sie auch die von der Last verbrauchte Gleichstromleistung.
Stromdioden Stromgleichung
Während des Gleichrichtungsprozesses sind die resultierende Ausgangsgleichspannung und der resultierende Ausgangsstrom daher während des Vorgangs sowohl „EIN“ als auch „AUS“ jeder Zyklus. Da die Spannung am Lastwiderstand nur während der positiven Hälfte des Zyklus (50\% der Eingangswellenform) anliegt, wird der Last ein niedriger durchschnittlicher Gleichstromwert zugeführt.
Die Variation von Die gleichgerichtete Ausgangswellenform zwischen diesem „EIN“ – und „AUS“ -Zustand erzeugt eine Wellenform, die große Mengen an „Welligkeit“ aufweist, was ein unerwünschtes Merkmal ist. Die resultierende Gleichstromwelligkeit hat eine Frequenz, die der Frequenz der Wechselstromversorgung entspricht.
Sehr oft möchten wir beim Gleichrichten einer Wechselspannung eine „stetige“ und kontinuierliche Gleichspannung erzeugen, die frei von Spannungsschwankungen ist oder Welligkeit. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, einen Kondensator mit großem Wert parallel zum Lastwiderstand an die Ausgangsspannungsklemmen anzuschließen, wie unten gezeigt. Diese Art von Kondensator ist allgemein als „Reservoir“ oder Glättungskondensator bekannt.
Halbwellengleichrichter mit Glättungskondensator
Leistungsdiode mit Glättungskondensator
Wann Die Gleichrichtung wird verwendet, um eine Gleichspannung (DC) von einer Wechselquelle (AC) bereitzustellen. Die Menge der Welligkeitsspannung kann durch Verwendung von Kondensatoren mit größerem Wert weiter reduziert werden, aber es gibt sowohl Kosten- als auch Größenbeschränkungen für die Arten von Glättungskondensatoren verwendet.
Bei einem bestimmten Kondensatorwert entlädt ein größerer Laststrom (kleinerer Lastwiderstand) den Kondensator schneller (RC-Zeitkonstante) und erhöht so die erhaltene Welligkeit. Dann ist es für eine einphasige Halbwellengleichrichterschaltung unter Verwendung einer Leistungsdiode nicht sehr praktisch, zu versuchen, die Welligkeitsspannung allein durch Kondensatorglättung zu verringern. In diesem Fall wäre es praktischer, stattdessen „Vollwellengleichrichtung“ zu verwenden.
In der Praxis wird der Halbwellengleichrichter aufgrund seiner Hauptnachteile am häufigsten in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet. Die Ausgangsamplitude ist kleiner als die Eingangsamplitude, es gibt keinen Ausgang während des negativen Halbzyklus, so dass die Hälfte der Leistung verschwendet wird und der Ausgang mit Gleichstrom gepulst wird, was zu einer übermäßigen Welligkeit führt.
Um diese Nachteile zu überwinden, gibt es eine Reihe von Leistungsdioden werden miteinander verbunden, um einen Vollweggleichrichter zu erzeugen, wie im nächsten Lernprogramm erläutert.
Antwort
Eine Leistungsdiode ist ein kristallines Halbleiterbauelement, das hauptsächlich zur Umwandlung von Wechselstrom (AC) verwendet wird. Gleichstrom (DC), ein Prozess, der als Gleichrichtung bekannt ist. Die Funktion einer Leistungsdiode, die in den Stromversorgungskreisen praktisch aller modernen elektrischen und elektronischen Geräte zu finden ist, ähnelt einem mechanischen Einwegventil. Sie leitet elektrischen Strom mit minimalem Widerstand in eine Richtung, die als Vorwärtsrichtung bezeichnet wird. Während sie verhindern, dass Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. In der Regel können Leistungsdioden bis zu mehreren hundert Ampere vorwärts leiten. Sie haben viel größere PN-Übergänge und damit eine höhere Durchlassstromkapazität als ihre kleineren Signaldiodenverwandten, die in der Unterhaltungselektronik zur Regulierung und Reduzierung verwendet werden Dies macht Leistungsdioden besser für Anwendungen geeignet, bei denen größere Ströme und höhere Spannungen beteiligt sind.