APLICATII ALE DIODELOR

In acest capitol se va prezentata, cateva aplicatii ale diodelor.

1. Redresoarele

Cea mai utilizata aplicatie a diodelor este redresarea. Redresarea inseamna conversia curentului alternativ in curent continuu. Exista mai multe tipuri de redresoare:

- redresor monofazat

Monoalternanta;

Bialternanta

- redresor polifazat (cel mai utilizat este cel trifazat)

1.1 Redresor monofazat monoalternanta

Redresorul monofazat monoalternanta este cel mai simplu redresor. Practic el permite trecerea doar unei alternante prin consumator.

Schema de baza a redresorului este prezentata in Fig.1, unde D reprezinta o dioda semiconductoare, denumita dioda redresoare, iar R este rezistenta de sarcina a redresorului.

Fig.1. Schema redresorului monofazat monoalternanta

In Fig.2 sunt prezentate tensiunea de intrare respectiv de iesire a redresorul monofazat monoalternanta.

Fig.2. Variatia tensiunilor de intrare respectiv de iesire a redresorului monofazat monoalternanta.

Functionarea redresorului depinde de alternanta tensiunii sinusoidale de intrare. Astfel, in alternanta pozitiva, cand tensiunea de intrare este pozitiva (mai mare decat 0), dioda D este polarizata direct. Deoarece amplitudinea tensiunii de intrare este mult mai mare decat valoarea tensiunii de prag a diodei (V_D 0,7V), aceasta din urma se poate considera nula. In consecinta, comportamentul redresorului pentru cazul in care avem alternanta pozitiva este aceea ca tensiunea de iesire este egala cu tensiunea de intrare.

In alternanta negativa, cand tensiunea de intrare este negativa (mai mica decat 0), dioda D este polarizata invers. Deoarece dioda D este alimentata invers ea este blocata si nu permite trecerea curentului prin ea. In acest caz tensiunea de iesire devine la randul sau zero.

Se observa ca variatia tensiunii de iesire s-a redus la jumatate din variatia tensiunii de intrare. Chiar si cu aceasta reducere, rezultatul nu este satisfacator - este de dorit ca la iesirea redresorului sa se obtina o tensiune de variatie cat mai redusa, ideal de variatie zero, adica o tensiune continua.

Pentru obtinerea unei variatii si mai reduse pentru tensiunea de iesire a redresorului, la iesirea acestuia, in paralel cu R, se introduce un condensator de capacitate foarte mare, denumit condensator de filtrare (Fig.3). Rolul condensatorului este de a limita variatia tensiunii de iesire.

Fig. Schema redresorului monofazat monoalternanta cu condensator de filtrare.

In Fig.4 se prezinta variatia tensiunii de iesire pentru cazul in care redresorul dispune de un condensator de filtrare.

Fig.4. Variatia tensiunilor de intrare respectiv de iesire a redresorului monofazat monoalternanta cu condensator de filtrare.

Pentru cele mai multe aplicatii redresarea obtinuta in urma redresorului monoalternanta nu este suficienta. Un mare defect a acestui redresor este acela ca sursa de alimentare nu furnizeaza putere consumatorului decat pe o singura alternanta si prin urmare sursa este folosita doar la jumatate din capacitatea ei.

1.2 Redresor monofazat bialternata

Redresoarele monofazate bialternanta sunt mai performante si permite folosirea ambelor alternante ale sursei de alimentare (cea pozitiva si cea negativa). Exista doua variante de baza a redresorului bialternanta: cu priza mediana si in punte.

Redresorul cu priza mediana (Fig.5) foloseste un transformator a carui secundar are o priza mediana, si doua diode.

Fig.5. Schema redresorului monofazat bialternanta cu priza mediana.

In Fig.6 este prezentata modul de circulatie a curentilor in functie de alternanta sursei de alimentare.

Daca se considera ca sursa este in alternanta pozitiva (Fig.6.a), se observa ca doar dioda D1 este in conductie (polarizata direct), dioda D2 fiind blocata (polarizata invers). In acest caz se poate observa circuitul de inchidere a curentului, din partea superioara a transformatorului, prin dioda D1 ajunge la rezistenta R si in final la priza mediana.

Daca se considera ca sursa este in alternanta negativa (Fig.6.b), se observa ca dioda D1 este blocata, dioda D2 este in conductie. In acest caz circuitul de inchidere a curentului este de la partea inferioara a transformatorului, prin dioda D2 ajunge la rezistenta R si in final la priza mediana.

a) Dioda D1 in conductie b) Dioda D2 in conductie

Fig.6. Modul de functionare a redresorului cu priza mediana in functie de alternanta sursei.

In Fig.7 se prezinta variatia tensiunilor de intrare, respectiv de iesire pentru redresorul monofazat bialternanta.

In concluzie se poate spune ca redresorul prezentat mai sus utilizeaza ambele alternante ale sursei de alimentare, furnizand consumatorului aproape toata puterea sursei.

Dezavantajul principal al acestui redresor este faptul ca necesita un transformator cu priza mediana. Din acest motiv acest tip de redresor este folosit doar in aplicatii de putere mica, deoarece la o aplicatie de putere mare transformatorul ar avea o dimensiunea ridicata.

Pentru inlaturarea acestui dezavantaj s-a realizat redresorul monofazat bialternanta in punte. Acest redresor contine patru diode si este prezentat in Fig.8.

Functionarea redresorului depinde de alternanta sursei de alimentare, iar in Fig. 9 se prezinta circulatia curentului in functie de alternanta sursei de alimentare.

Daca se considera ca sursa este in alternanta pozitiva (Fig.9.a) atunci circulatia curentului este de la partea superioara a sursei prin dioda D1 ajunge la rezistenta R. De aici prin dioda D2 ajunge la partea inferioara a sursei. In acest caz se poate spune ca diodele D1 si D2 sunt in conductie (polarizate direct), iar diodele D3 si D4 sunt blocate (polarizate invers).

Fig.7. Variatia tensiunilor de intrare respectiv de iesire a redresorului monofazat bialternanta.

Fig.8. Schema redresorului monofazat bialternanta in punte.

Daca consideram ca sursa de alimentare este in alternanta negativa (Fig.9.b), atunci circulatia curentului este de la partea inferioara a sursei, prin dioda D3 ajunge la rezistenta R. De aici, prin dioda D4 ajunge la partea superioara a sursei. In acest caz se poate spune ca diodele D1 si D2 sunt blocate, iar diodele D3 si D4 sunt in conductie.

a) Dioda D1 in conductie b) Dioda D2 in conductie

Fig.9. Modul de functionare a redresorului in punte in functie de alternanta sursei.

Dezavantajul principal al redresorului in punte este acela ca la fiecare alternanta se inseriaza doua diode, iar in cazul diodelor de Si caderea de tensiune este de 1,4V. Bineinteles acesta este un dezavantaj pentru consumatorii ce necesita o tensiune de alimentare foarte mica.

Pentru obtinerea unei variatii mai reduse pentru tensiunea de iesire a redresorului, la iesirea acestuia, in paralel cu R, se introduce un condensator de capacitate foarte mare, denumit condensator de filtrare Fig.(10).

Fig.10. Schema redresorului monofazat bialternanta in punte cu condensator de filtrare.

In Fig.11 se prezinta variatia tensiunii de iesire pentru cazul in care redresorul dispune de un condensator de filtrare.

Fig.11. Variatia tenisiunii de iesire pentru redresorul monofazat bialternanta cu condensator de filtrare.

1.3 Redresor trifazat.

Acest redresor (Fig.12) transforma curentul alternativ trifazat in curent continuu. El contine cate o pereche de diode pentru fiecare faza. O dioda functioneaza in alternanta pozitiva si cealalta in alternanta negativa.

Fig.12. Schema redresorului trifazat.

Redresarea curentului alternativ trifazat va conduce la o forma mai dreapta a curbei curentului continuu, deci curba curentului continuu va contine o componenta alternativa mai scazuta. Acesta este si principalul avantaj al redresarii curentului trifazat alternativ.

Fig.12. Variatia tensiunii de iesire pentru redresorul trifazat.

2. Detector de varf.

Un detector de varf (Fig.1a) este format din conectarea in serie a unei diode si un condensator, care scoate la iesire o tensiune in curent continuu egala cu valoarea tensiunii de varf din curent alternativ.

     

a) b)

Fig.1 a) Schema detectorului de varf. b) Variatia tensiunii de alimentare (U1) si tensiunea pe condensator (U2)

Practic daca se aplica o tensiune alternativa detectorului de varf, in alternanta pozitiva, dioda acestuia intra in conductie si incarca condensatorul cu o tensiune egala cu amplitudinea tensiunii alternative. In momentul in care tensiunea sursei scade sub valoarea tensiunii din condensator, dioda se blocheaza si nu permite descarcarea condensatorului spre sursa. Din acest motiv condensatorul retine valoarea de varf chiar si cand curba tensiunii trece prin zero (Fig.1b).

Din punct de vedere functional detectorul de varf este identic cu redresorul monofazat monoalternanta cu condensator de filtrare.

Limitatoare de tensiune.

Limitatoarele de tensiune sunt circuite care contin o rezistenta si una sau doua diode si care se folosesc pentru limitarea tensiunii de iesire pe alternanta pe care este montata dioda, la o valoare care depinde de tipul diodei folosite. In Fig.1a se prezinta un limitator de tensiune care limiteaza valoarea tensiunii pe alternanta negativa.

Circuitul functioneaza astfel: pe alternanta pozitiva dioda este blocata (polarizata invers) si la iesire avem o tensiune mai mica decat cea a sursei datorita caderii de tensiune de pe rezistenta R; pe alternanta negativa dioda D intra in conductie, iar tensiunea remanenta U2 va fi de 0,7V in cazul in care dioda folosita este o dioda standard din Si.

a) b)

Fig.1 a) Schema limitatorului de tensiune pe alternanta negativa. b) Variatia tensiunii de alimentare (U1) si a tensiunii remanenta (U2)

In Fig.14 se prezinta un limitator de tensiune care limiteaza tensiunea pe ambele alternante. Practic pe alternanta pozitiva tensiunea este limitata de dioda D1 care intra in conductie, cealalta fiind blocata. In alternanta negativa tensiunea este limitata de dioda D2 care intra in conductie.

     

a) b)

Fig.14. a) Schema limitatorului de tensiune pe ambele alternante. b) Variatia tensiunii de alimentare (U1) si a tensiunii remanenta (U2)

4. Multiplicatoare de tensiune.

Un multiplicator de tensiune este un circuit care creste valoarea tensiunii in curent continuu la o valoare care este de cateva ori mai mare decat amplitudinea tensiunii de alimentare. In continuare se va prezenta in detaliu dublorul de tensiune urmat de prezentarea schematica a altor multiplicatoare de tensiune (Fig.16).

Dublorul de tensiune (Fig.15.a) este un circuit electronic care are la iesire o tensiune continua care are valoarea egala cu dublul tensiunii de alimentare (Fig.15.b). De exemplu daca tensiunea de alimentare este de 5V, in alternanta negativa dioda D1 intra in conductie, ceea ce conduce la incarcarea condensatorului C1 cu 5V (4,3V daca se tine cont de caderea de tensiune pe dioda). In alternanta pozitiva, dioda D2 intra in conductie si se incarca condensatorul C2, dioda D1 fiind blocata nu permite descarcarea condensatorului C1 spre sursa. In final tensiunea in punctul 3 este suma tensiunilor pe cele doua condensatoare (Fig.15.b - U3(t) ) adica 10V (8,6V daca se tine cont de caderea de tensiune pe diode).

     

a) b)

Fig.15. a) Schema dublorului de tensiune. b) Variatia tensiunilor din circuit.

Fig.16. a) Schema tripliorului de tensiune.

Fig.17. Schema unui multiplicator de tensiune.

5. Circuite de comutare a bobinelor.

Daca se considera un circuit simplu in care o bobina este alimentata in curent continuu prin intermediul unui comutator (Fig.18.a). La inchiderea comutatorului se stabileste continuitatea circuitului si astfel apare un curent care strabate bobina si care genereaza un camp magnetic in jurul bobinei (Fig.19.b). La deschiderea comutatorului curentul devine nul, iar campul magnetic existent se reduce rapid generand in bobina o supratensiune (Fig.18.c si d).

Fig.18. Fenomenul de cuplare si decuplare a unei bobine prin intermediul unui comutator.

Daca in circuitul prezentat anterior se introduce o dioda de protectie (Fig.19.a), se observa ca aceasta nu intervine in circulatia curentului atat timp cat comutatorul este inchis (Fig.19.b) deoarece dioda este polarizata invers. In momentul deschiderii comutatorului, curentul din bobina genereaza un o tensiune inversa care polarizeaza direct dioda si aceasta intra in conductie (Fig.19.c).

Fig.19. Fenomenul de cuplare si decuplare a unei bobine prin intermediul unui comutator daca in circuit exista o dioda de protectie.

Un dezavantaj major a acestei scheme este faptul ca disparitia campului magnetic din bobina este foarte lenta, deoarece curentul care se stabileste in circuit se disipa pe rezistenta diodei care are o valoare foarte mica. Din fericire exista o metoda de inlaturare a acestui defect. Daca in serie cu dioda se conecteaza o rezistenta (Fig.20), demagnetizarea este cu atat mai rapida cu cat rezistenta are o valoare mai mare.

Fig.20. Fenomenul de cuplare si decuplare a unei bobine prin intermediul unui comutator daca in circuit exista o dioda de protectie inseriata cu o rezistenta.

Daca se analizeaza Fig.20.b se poate observa ca in cazul in care circuitul este fara dioda de protectie (curba - c) valoarea tensiunii inverse este foarte mare putand crea pagube circuitului. In cazul in care se monteaza dioda de protectie (curba - e) se observa aparitia unei tensiuni inverse de o valoare egala cu valoarea tensiunii sursei de alimentare si din care se scade caderea de tensiune pe dioda. Ultima situatie, cea in care exista si un rezistor de descarcare (curba - d), conduce la o tensiune inversa de o valoare scazuta care dispare foarte repede din circuit.

6. Circuite logice cu diode.

Un circuit logic este acel circuit in opereaza in matematica Booleana. Intr-un circuit logic o tensiune egala sau apropiata de tensiunea sursei de alimentare inseamna "1" logic, iar o tensiune nula, negativa sau pozitiva apropiata de zero reprezinta "0" logic. Cu ajutorul diodelor se pot obtine diferite circuite logice.

Cele mai uzuale circuite logice sunt cele care realizeaza functii logice cum ar fi functiile "SI", "SAU" etc.

In Fig.21 se prezinta un circuit cu trei intrari care realizeaza o functie SI. La iesirea Y avem tensiunea de 5V prin rezistenta R, atat timp cat diodele D1, D2 sau D3, nu intra in conductie. Diodele pot intra in conductie in momentul cand tensiunea aplicata la catod este mai mica decat diferenta dintre tensiunea de alimentare si caderea de tensiune pe dioda. In concluzie, daca in punctele A, B si C avem tensiuni de 5V (1 logic), atunci diodele sunt blocate si la iesirea Y avem tot 5V (1 logic). Daca la oricare dintre intrari avem 0V (0 logic) atunci dioda care are catodul la iesirea respectiva intra in conductie si la iesirea Y avem 0V (0 logic).

     

Fig.21. Circuit logic care realizeaza functia SI.

In Fig.22 se prezinta un circuit cu doua intrari care realizeaza o functie SAU. Daca la intrarile A si B avem tensiuni de 0V (0 logic), diodele sunt blocate si la iesirea Y vom avea tot 0V (0 logic). Daca la oricare dintre intrari se aplica o tensiune de 5V (1 logic), dioda care are anodul conectat la acea iesire intra in conductie si la iesirea Y avem o tensiune de 5V (1 logic)

     

Fig.22. Circuit logic care realizeaza functia SAU.

7. Stabilizatoare de tensiune.

Un stabilizator de tensiune este un circuit electronic care pastreaza constanta tensiunea de iesire la variatii intre anumite limite ale tensiunii de intrare. In general stabilizatoarele de tensiune se realizeaza cu diode Zener.

Se considera schema din Fig.23 in care exista o dioda Zener (DZ) polarizata invers care are tensiunea Zener (caderea de tensiune inversa) de 12,6V. Mai exista o rezistenta R de limitare a curentului prin circuit si o rezistenta de sarcina Rs (rezistenta consumatorului). Datorita diodei Zener tensiunea la bornele rezistentei de sarcina va fi constanta (12,6V). Bineinteles acest lucru este valabil atat timp cat valoarea rezistentei R nu este prea mare cea ce ar produce o cadere de tensiune mare pe ea, iar la bornele consumatorului vom avea o tensiune mai mica de 12,6V. In aceasta situatie dioda Zener nu mai are nici un rol in circuit.

Fig.2 Stabilizator de tensiune cu dioda Zener.

Valoarea tensiunii inverse pentru cele mai utilizate diode Zener este prezentata in tabelul de mai jos.