Podręcznik

4. Wybrane rodzaje diod

4.3. Diody prostownicze

Naturalnym wykorzystaniem asymetrii charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n jest prostowanie prądu przemiennego o małej częstotliwości (do kHz) w układach zasilania. Dla takich częstotliwości analizę działania takiej diody można wykonać w oparciu o charakterystykę statyczną:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.3 Zasada działania diodowego prostownika jednopołówkowego

Jak wiadomo, dla polaryzacji przewodzenia na diodzie odkłada się niewielki spadek napięcia (dla średnich prądów typowo ok. 0.7 V dla Si), a ponadto konduktancja dynamiczna ma wartość skończoną. Z tego powodu napięcie na obciążeniu R_L jest zniekształcone w stosunku do sygnału prostowanego (dioda i obciążenie stanowią dzielnik napięciowy):

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.4 Przebiegi napięcia na diodzie i obciążeniu w prostowniku jednopołówkowym

Efekt ten można zaniedbać, gdy amplituda prostowanego sygnału jest dużo większa od spadku napięcia na przewodzącej diodzie, a rezystancja obciążenia od rezystancji dynamicznej diody. Dla sygnału sinusoidalnego średnią wartość prądu można oszacować następująco:

$U_{av}=\frac{U_{m}}{2\pi }\int_{0}^{\pi }sin(\omega t)d(\omega t),\: \: \: I_{av}=\frac{U_{av}}{R_{L}}=\frac{U_{m}}{\pi R_{L}}.$

(4.7)

Należy zauważyć, że ze wzrostem częstotliwości sygnału maleje skuteczność prostowania i wartość prądu średniego na skutek przepływu prądu rozładowania pojemności dyfuzyjnej diody po zmianie znaku sygnału prostowanego odpowiadającej przełączeniu „w tył”:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.5 Przełączanie diody prostowniczej

Ten prąd wsteczny można zredukować stosując diody ze złączem m-s Ezlms (praktycznie brak gromadzenia nośników mniejszościowych w pojemności dyfuzyjnej). W takim przypadku dodatkową korzyścią jest zredukowanie spadku napięcia na diodzie dla polaryzacji przewodzenia.

Prąd średni wzrasta dwukrotnie przy prostowaniu dwupołówkowym w układzie transformatorowym lub mostkowym. Dodatkowo stosuje się filtr pojemnościowy dla zmniejszenia pulsowania wyjściowego napięcia i prądu (zmniejszenia składowej zmiennej):

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.6 Prostowanie dwupołówkowe w układzie Graetza z filtrem pojemnościowym

Diody prostownicze w zastosowaniach energetycznych mogą mieć moc rzędu kilowatów, prąd przewodzenia - kiloamperów, a napięcia przebicia dochodzące do kilowoltów.