Для чего ставят диод параллельно катушке, обмотке реле в цепи постоянного тока, в чем смысл.
На электронных схемах, где стоит электромагнитное реле, можно заметить, что параллельно его катушке припаян диод. Этот диод подсоединяется к обмотке обратным подключением. То есть, плюс диода (он же анод) будет лежать на минусе источника питания схемы, а минус диода (он же катод), будет находится на плюсе питания. Как известно, при таком способе подключения диода к питанию полупроводник находится в закрытом состоянии, он через себя не проводит электрический ток. Тогда возникает вопрос, а зачем он тогда нужен, если он работает как обычный диэлектрик?
А дело всё в том, что любая катушка, намотанная обычный образом (провод мотается в одном направлении) имеет помимо электрического сопротивления и индуктивность. Вокруг катушки при прохождении постоянного тока образуется электромагнитное поле. А в момент снятия напряжения с катушки, та энергия, которая была аккумулирована в этом электромагнитном поле резко преобразуется опять в электрическую. При этом на концах катушки появляется высоких разностный потенциал. То есть, проще говоря, в момент отключения от катушки питания на ней образуется кратковременный электрический всплески напряжения. Причем, этот всплеск ЭДС (электродвижущей силы) может в несколько раз превышать напряжение питания, которое ранее было подано на обмотку.
Такие скачки увеличенного напряжения, которые образуются на различных катушках, в том числе и на обмотке реле, способны негативно влиять на чувствительные элементы электронной схемы. Например, этот скачок легко может создать электрический пробой различных маломощных транзисторов, микросхем и т.д. Либо же это кратковременное увеличение напряжения может в момент процессов переключения реле вводить в электронную схему различные искажения, погрешности, плохо влиять на измерительные узлы и т.д. Одним словом явление возникновения подобных импульсов увеличенного напряжения – это плохо для любой электронной схемы.
А как же обычный диод может защитить от таких вот ЭДС скачков? Дело в том, что генерация ЭДС индукции имеет противоположную полярность, относительно подаваемого напряжения питания на катушку. Вначале мы на один конец катушки реле подавали плюс, а на второй – минус. При снятии напряжения питания с катушки полюса изменятся. Где был плюс, появится минус, а где был минус, появится плюс. Если наш защитный диод при одной полярности, когда идет питание катушки, находится в закрытом состоянии, работая как диэлектрик, то при другой полярности он уже будет переходить в открытое состояние. Другими словами говоря, при нормальной работе реле диод не будет себя проявлять как функциональный элемент, а при возникновении ЭДС индукции на катушки реле он сразу же станет проводником и замкнет этот импульс увеличенного напряжения на себе.
Может возникнуть вопрос. Если диод берет (замыкает) всю энергию ЭДС индукции катушки реле на себя, то не выйдет ли он от этого из строя (не сгорит ли)? Дело в том что у обычных катушек реле не столь большая энергия, что аккумулируется на ней в виде электромагнитного поля. Эта энергия имеет импульсный, одноразовый характер. Причем, при ЭДС индукции опасно именно увеличенное напряжение (относительно напряжения питания), токи же в этом импульсе достаточно малы. Задача диода нейтрализовать именно импульс увеличенного напряжения. Да и самый обычный, распространенный диод, такой как 1N4007 способен выдерживать обратное напряжение аж до 1000 вольт и прямой ток до 1 ампера (ток импульса намного меньше).
А какие диоды нужно ставить параллельно катушке реле, чтобы защитить электронную схему от подобный скачков напряжения ЭДС индукции? Как я только что уже сказал, энергия обычного маломощного реле (да и средней мощности) не такая уж и большая. Опасен именно сам увеличенный по напряжению импульс. Если питание катушки было, например, 12 вольт постоянного тока, то этот импульс может быть в несколько раз больше (ну пусть до 150 вольт, не больше). Токи, которые могут быть при этом импульсе могут иметь величину единицы и десятки миллиампер. На ток влияет диаметр провода, и его длина в катушке. Чем тоньше диаметр, и чем больше намотка, тем меньше ток. С напряжением наоборот. Чем больше витков в катушке, тем выше напряжение будет при ЭДС индукции.
Если не вдаваться в расчеты, то поставив на катушку обычного маломощного реле кремниевые диоды типа 1N4007 вы не ошибетесь. Их вполне хватит, чтобы надежно защитить электронную схему от подобный ЭДС импульсов, возникающих из-за переключающихся процессов.
P.S. Порой встречаются схемы (например электронная нагрузка), где в цепи мощных транзисторов стоят низкоомные резисторы. Эти резисторы на малое сопротивление иногда наматываются своими руками. Так вот если их мотать обычным образом (витки всего провода имеют одно направление) то это самодельное сопротивление будет обладать и активным сопротивлением и индуктивностью, которая также будет создавать эти ЭДС импульсы увеличенного напряжения. Но такие самодельные резисторы можно мотать и другим образом. Обмоточный провод складываем вдвое, его концы припаиваем на корпус обычного резистора, а сам сдвоенный провод одновременно наматываем на каркас резистора. В этом случае этот резистор будет иметь только активное сопротивление, индукция у него будет нулевая, что исключить возникновения ЭДС импульса. Дело в том, что электромагнитное поле провода одного направления будет компенсироваться полем другого провода, имеющего обратное направление.
Особенности работы диодов при прохождении через них импульсных сигналов
Для понимания сути процессов, происходящих в диоде при работе в высокочастотных импульсных цепях рассмотрим прохождение через него прямоугольного сигнала (т.е. сигнала с малой длительностью фронта и среза). При этом диод включается по схеме, приведенной на рис. 3.1-1.
Рис. 3.1-1. Схема включения диода при рассмотрении переходных процессов
В случае, когда входной прямоугольный сигнал является двуполярным, переходные процессы в диоде будут характеризоваться диаграммами, представленными на рис. 3.1-2.
Рис. 3.1-2. Переходные процессы в диоде при прохождении через него двуполярного прямоугольного сигнала
Для анализа приведенных зависимостей можно воспользоваться выражением для тока диода в переходном режиме:
\(Q_б\) — объемный заряд неосновных носителей в области базы диода;
\(\tau_б\) — время жизни неосновных носителей в области базы;
\(C_б\) — барьерная емкость перехода;
\(U_\) — напряжение на \(p\)-\(n\)-переходе диода.
Первое слагаемое выражения связано с рекомбинацией неосновных носителей в области базы. Второе слагаемое определяет изменение во времени объемного заряда неосновных носителей в области базы. Третье — обусловлено перезарядом барьерной емкости \(p\)-\(n\)-перехода при изменении входного сигнала во времени.
Таким образом, основными причинами инерционности заряда являются: эффект накопления избыточного заряда в базовой области прибора и наличие барьерной емкости перехода.
Рассмотрим участок времени \([t_0;t_1]\), когда входное напряжение скачком увеличивается от \(–U_\) до \(+U_\).
При увеличении прямого тока сопротивление базы диода уменьшается (эффект модуляции сопротивления области базы). Поскольку скорость накопления избыточного заряда в области базы конечна, то установление прямого сопротивления диода требует некоторого времени. Учитывая, что \(R_Н \gg r_\), можно показать, что ток диода не зависит от его сопротивления. Поэтому эффект модуляции сопротивления базы приводит к появлению резкого выброса напряжения на диоде при его включении.
Перезаряд барьерной емкости диода \(C_б\), наоборот, ведет к замедлению скорости увеличения напряжения на диоде.
Вследствие действия двух противоположных тенденций реальный вид переходного процесса определяется конкретным соотношением параметров диода. При малых уровнях инжекции превалирующими являются процессы, связанные с перезарядом емкости \(C_б\). При больших уровнях инжекции — процессы, связанные с изменением объемного заряда области базы. Поэтому для диодов различных типов переходные процессы при включении могут иметь качественно отличный вид. На приведенной на рис. 3.1-2 диаграмме представлен случай большого уровня инжекции и соответственно малого влияния \(C_б\).
Длительность всплеска напряжения на диоде \(\tau_у\) называется временем установления. Рассчитанное для \(1,2 U_\), оно примерно равно: \(\tau_у \approx 2,3 t_б\) , а максимальное падение напряжения на диоде:
\(U_ \approx \varphi_к + I_ \cdot r_\),
\(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов,
\(r_\) — сопротивление области базы диода.
Интервал времени [t1;t2] характеризует установившийся режим в диодном ключе. В базовой области диода накоплен избыточный заряд неосновных носителей \(Q_б = I_ \cdot \tau_б\). Концентрация избыточных носителей при этом падает по мере удаления от перехода. Прямой ток, протекающий через диод, равен:
В момент времени \(t_2\) входное напряжение изменяет свою полярность на обратную. Однако до момента \(t_4\) диод будет находиться в проводящем состоянии. До момента \(t_3\) через него в обратном направлении будет протекать ток, импульсное значение которого \(I_\) и соизмеримо с \(I_\). Далее, по мере рассасывания объемного заряда неосновных носителей в области базы и разряда барьерной емкости на интервале \([t_3;t_4]\), обратный ток через диод будет уменьшаться, стремясь к своему установившемуся значению.
Как видно из приведенной диаграммы (рис. 3.1-2), в момент времени \(t_2\) смены полярности входного напряжения падение напряжения на диоде скачком уменьшается на долю падения напряжения на активном сопротивлении диода \( \operatorname U_д = r_ \left( I_ + I_ \right)\) и далее остается постоянным. Это объясняется тем, что избыточный заряд, накопленный в базовой области диода во время его прямого смещения, остается достаточным для поддержания импульса обратного тока на уровне:
т.е. непосредственно после смены полярности \(U_\) диод обладает практически нулевым сопротивлением.
Для интервала времени \([t_2;t_3]\): \(I_д = –I_\). Предполагая, что в конце этого интервала концентрация неосновных носителей заряда в непосредственной близости к \(p\)-\(n\)-переходу уменьшается до нуля, получим:
Временной интервал \(t_\) называется временем рассасывания неосновных носителей из области базы. Следует отметить, что приведенное выражение является приближенным, так как не учитывает особенностей изменения пространственного заряда \(Q_б\), характерных для диодов, изготовленных по различным технологиям.
На временном интервале \([t_3;t_4]\) суммарный объемный заряд в области базы уменьшается до нуля, что характеризуется уменьшением тока диода от значения \(I_\) до величины \(I_\), соответствующей стационарному обратному току диода в выключенном состоянии.
Длительность интервала \(t_ = t_4 – t_3\), называемого временем спада обратного тока диода, также сильно зависит от технологии его изготовления. Реально: \(t_ \approx <(0,1. 1)>\cdot t\), т.е. практически для всех типов диодов \(t_ > t_\). Временной интервал \(t_ + t_ = t_\) носит название времени восстановления обратного сопротивления диода и является важной характеристикой быстродействия. Поскольку tвос сильно зависит от условий переключения диода, часто пользуются не временем, а зарядом переключения:
В случае, когда напряжение входного прямоугольного сигнала не является двуполярным, на диаграммах переходных процессов возникнут качественные отличия от приведенного на рис. 3.1-2 вида.
Временные диаграммы для случая однополярного прямоугольного сигнала приведены на рис. 3.1-3.
Рис. 3.1-3. Переходные процессы в диоде при прохождении через него однополярного прямоугольного сигнала
Очевидно, что и в этом случае переходные процессы будут сильно искажать форму сигнала, проходящего через диод в нагрузку.
Процесс включения диода аналогичен случаю двуполярного сигнала. Существенные отличия наблюдаются при выключении диода.
После окончания действия напряжения \(U_\) в момент времени \(t_2\) напряжение на диоде резко уменьшается на \(\Delta U_д = r_ \left( I_ + I_ \right) \) и затем еще достаточно продолжительное время сохраняет полярность прямосмещенного диода. При условии \(U_ = 0\) это означает, что к нагрузке прикладывается напряжение обратной полярности, равное:
где \( R_\) — внутреннее сопротивление источника сигнала.
Причиной возникновения этого напряжения является объемный заряд \(Q_б\), накопленный в области базы. После окончания импульса \(U_\) неосновные носители в области базы постепенно рекомбинируют, создавая ток в цепи нагрузки диода. Поэтому длительность интервала \([t_2;t_3]\) определяется как собственными параметрами диода, так и параметрами внешней цепи. При уменьшении сопротивления разряда \(R_ = R_н \cfrac>>\) длительность \([t_2;t_3]\) уменьшается.
Напряжение, присутствующее на диоде после окончания импульса \(U_\) принято называть послеинжекционным.
Таким образом, при применении диодов в импульсных цепях следует учитывать, что их некоторая инерционность является причиной искажения формы проходящих через них импульсов. Причем эти искажения тем существеннее, чем меньше длительность обрабатываемых импульсов и их фронтов (срезов).
Конструкции и схемы для прочтения с паяльником. Том 2 , Том 2
Материалы в сборнике подобраны таким образом, чтобы удовлетворить широкий круг читателей. И тех, кто стремится построить аппаратуру Hi-Fi и добиться высококачественного звучания в домашних «концертных залах», и тех, кто ищет пути для внедрения электронных устройств в свои «Жигули» или собрать бытовые автоматы для дома и дачи. Все описания схем и конструкции, опубликованные здесь, подсказаны авторам жизнью и уже прошли испытание на практике. Они звучали, включали, контролировали. Так что, если у вас «схема не заработает», сразу, проверьте себя несколько раз. Авторские разработки не на бумаге, а в «железе» действовали надежно.
Ремонт и Сервис электронной техники , Выпуски 8-2014
Журнал «Ремонт и сервис» – самый современный и обстоятельный журнал об электронике и домашней технике. Новинки электроники и новости сервиса, холодильники и стиральные машины, оборудование для кухни и дачи, копировальная и офисная техника, автоэлектроника, телевизионная и видеотехника, телефония GSM, измерительные приборы и ремонтное оборудование, радиоэлектронные компоненты и технологии, источники питания – всё это в доступной и понятной форме для специалистов и любителей.В номере:Телевизионная техникаБлоки питания PLDG-P005A и PLDE-P007A ЖК телевизоров LG и PHILIPS с краевой LED-подсветкойВидеотехникаРемонт цифровых DVB-приемников и абонентских терминаловТелефонияРемонт мобильного телефона «Samsung GT-C3322» (часть 2)ОргтехникаРемонт копира «Canon FC 230» (часть 1)Бытовая техникаМикроконтроллеры Freescale для бытовой техники. Отладочный интерфейс BDMИзмерительная техника. ОборудованиеB1506A – анализатор силовых полупроводниковых приборови многое другое