Tápfeszültség egyenirányítása

A diódák egyik alapvető alkalmazása a váltófeszültségű tápforrás egyenirányítása, mivel az áramkörök többsége egyenfeszültségű tápellátást igényel.

Félhullámú egyenirányítás

A félhullámú egyenirányítás a jel pozitív részét engedi át, a negatív részt blokkolja.

Az ingadozás csökkentésére kondenzátort használhatunk, ami folyamatosabban biztosítja a fogyasztó számára az áramot, jelentősen csökkenti az ingadozás mértékét. A dióda nyitófeszültsége miatt a kimeneti jel maximuma kisebb, mint a bemeneti jel csúcsértéke.

Az alábbi szimuláció a bemeneti és kimeneti jelalakot mutatja különböző kapacitásértékek és terhelőellenállás-értékek esetére.

Teljes hullámú egyenirányítás

A teljes hullámú egyenirányítás kihasználja a forrásjel mindkét félperiódusát.

Középleágazásos transzformátor alkalmazása

A transzformátorok gyakran rendelkeznek középleágazással (vagy két, sorbaköthető szekunder tekerccsel). Az alábbi áramkör alkalmas teljes hullámú egyenirányításra:

Az következő szimuláció a bemeneti és kimeneti jelalakot mutatja különböző kapacitásértékek és terhelőellenállás-értékek esetére.

Graetz-hidas egyenirányítás

Diódahíd, úgynevezett Graetz-kapcsolás segítségével középleágazás nélkül is megoldható a teljes hullámú egyenirányítás:

A jel mindig két diódán halad át, így az amplitúdó- és teljesítményveszteség nagyobb, mint a fentebbi esetekben. A váltófeszültséget a diódák anód-katód csatlakozási pontjaira kell kötni (ezeket alkatrészek tokozásán ~ jelöli), a pozitív feszültségű kimenet a katódok (innen kifelé folyik az áram), a negatív pedig az anódok csatlakozási pontja.

A Graetz-híd középleágazásos transzformátorral használva alkalmas pozitív és negatív tápfeszültség egyidejű előállítására:

Búgófeszültség

Az egyenirányított feszültség ingadozását elég egyszerűen meg lehet határozni kellő pontossággal, ha az ingadozás mértéke nem túl nagy. Ezt feltételezhetjük, hiszen ez a célkitűzés is egyben. A kondenzátor kisülésekor így közel lineáris a feszültség változása, egy átlagos árammal számolhatunk, ami az átlagos feszültség és terhelés függvénye. Az átlagos értékeket vehetjük a maximális és minimális érték középértékének. Az alábbi összefüggést kapjuk a kisülési szakaszban bekövetkező feszültségcsökkenésre:

Félhullámú egyenirányításnál a kisülési idő kevesebb, mint a periódusidő, így a búgófeszültség (ripple voltage):

Teljes hullámú egyenirányításnál a kisülési idő a periódus idő felénél kisebb (közelítőleg a feleakkora), így az ingadozás mértéke is jóval kisebb, mint félhullámú egyenirányítás esetén:

Jegyezzük meg, hogy a terhelést a fenti példákban egy ellenállás szimbolizálja, de gyakorlatban a tápegységek gyakran komplex áramköröket látnak el tápfeszültséggel, amik áramfelvétele dinamikus. Ilyen esetekben ismernünk kell a legnagyobb lehetséges áramfelvételt, ebből tudjuk megállapítani, mekkora lesz a legnagyobb búgófeszültség. A méretezéskor ezt kell az előírt követelményeknek megfelelően korlátozni a kapacitás és a váltóáramú tápfeszültség helyes megválasztásával.

Feszültségszabályozás

Gyakran szükség van sokkal kisebb ingadozású, pontosabb értékú tápfeszültségre, ekkor feszültségszabályzót (kevésbé ajánlott elnevezéssel feszültségstabilizátort) használhatunk.

Lineáris szabályzók esetén a bemeneti feszültségnek a kimeneti feszültségnél bizonyos értékkel (esési feszültség, dropout voltage) nagyobbnak kell lennie, ellenkező esetben a kimeneti feszültség csökken, ahogy az alábbi szimuláció mutatja:

Ilyen esetekben tehát egy újabb követelmény lép fel. Világítsuk meg a teendőket egy példán keresztül. Tegyük fel, hogy 5 V DC feszültséget szeretnénk előállítani egy feszültségszabályzóval az áramkör számára. A maximális áramigény 100 mA, a szabályzó feszültségesése legfeljebb 2 V, azaz a bementén legalább 7 V-nak kell lennie bármelyik időpillanatban. A búgófeszültségre az előírás legyen 1 V. A váltófeszültségű tápforrásjelnek (transzformátor kimeneti jelének) az effektív értékét szokás megadni, a maximális amplitúdó ennek \( \sqrt {2} \)-szerese (szinuszos jelalakot tételezünk fel). Az egyenirányítás során a maximális amplitúdó ennél kisebb lesz, mert a diódákon feszültség esik (egy vagy két diódán is áthaladhat az áram). A diódán nagy áramok mellett 0.6 V-nál jelentősen nagyobb feszültség is eshet, ezt az adatlapból tudhatjuk meg. Terveznünk tehát úgy kell, hogy az egyenirányítás utáni maximális amplitúdóból a búgófeszültséget levonva is biztonságosan maradjon a feszültség az előírt 7 V felett. Jegyezzük azt is meg, hogy a megfelelő kapacitású kondenzátorok névleges értékének pontossága (tűrése) és hőmérsékletfüggése is fontos szempont. Olyan kondenzátort kell választanunk, ami a működési hőmérséklettartományban és a specifikált legkisebb tényleges értéke mellett is megfelel a feltételeknek.

Szinteltolás, referenciaforrások

Szinteltolás

Diódák alkalmasak különböző feszültségszint-eltolásokra. Erre mutat példát az alábbi kapcsolás:

A jelalakokat a következő ábra szemlélteti.

Referenciaszint előállítása

Egy vagy több dióda alkalmazása

A diódák egyfajta feszültségszabályozásra is alkalmasak, mivel a rajtuk eső feszültség kis mértékben függ az átfolyó áramtól. A dinamikus ellenállást használhatjuk ennek jellemzésére. Az alábbi kapcsolás jelentősen ingadozó feszültség esetén is két nyitófeszültségnyi közelítőleg stabil feszültséget állít elő.

A szabályozást az alábbi ábra szemlélteti.

Az ingadozás mértékét jobban láthatjuk váltófeszültségű módban, kisebb méréshatár választása esetén:

Megfigyelhetjük, hogy a példában az ingadozás mértéke mindössze századrésze a bemeneti jel ingadozásának, azaz az elnyomási tényező (ripple rejection) 40 dB körüli. Minél kisebb a dinamikus ellenállás (azaz minél meredekebb a dióda áram-feszültség karakterisztikája), annál kisebb az ingadozás mértéke.

A dióda lineáris modelljét felhasználva a diódákat a dinamikus ellenállásukkal helyettesíthetjük, így az áramkör kisjelű leírására az alábbi modellt használhatjuk:

Ha ismerjük a diódákon átfolyó átlagos áramot, akkor a dinamikus ellenállást is meghatározhatjuk, és a fentebbi feszültségosztó osztási arányát is kiszámíthatjuk.

Zener diódás szabályozás

Zener diódák alkalmasabbak szabályozásra és különböző referenciaszintek előállítására. Széles az értékek választéka, a dinamikus ellenállás, hőmérsékletfüggés is kicsi, különösen az erre a célra gyártott alkatrészek esetében.

Kapcsolók

A diódák egyben egyfajta kapcsolók is, ahogy az egyszerűsített modell is jól mutatja. A kapcsolást a diódára jutó feszültség polaritásával vezérelhetjük.

Automatikus polaritásváltás

Földfüggetlen DC tápfeszültségforrást automatikusan pozitív polaritásúként használhatjuk az alábbi áramkör segítségével:

A kapcsolás így egyben véd a fordított polaritású bekötés ellen, ami károsíthatná a működtetendő áramkört.

Automatikus tápválasztás

A következő áramkör (diódás VAGY kapcsolás, diode OR-ing) automatikusan a nagyobb feszültségű forrást kapcsolja a fogyasztóra:

Hasznos megoldás például akkor, ha elemről (V₂) kell működnie az áramkörnek addig, amíg nem kapcsoljuk más tápforrásra (V₁).

Multiplexer

A multiplexerek több bemenet közül egyet kapcsolnak a kimenetükre. Az alábbi kapcsolás esetén az V1 és V2 DC feszültségekkel juttathatjuk az V3 vagy V4 AC jelek valamelyikét az R terhelőellenállásra:

A következő kapcsolás nagyfrekvenciás kapcsolóra példa, az induktivitás a jelfrekvencián nagy impedanciájú, így nincs érdemi hatással a jelamplitúdóra.

Feszültségkonverzió, feszültségsokszorozás

Feszültségrögzítés

Az alábbi áramkör azonos az egyszerű félhullámú egyenirányító áramkörrel, de itt a kimeneti feszültséget a diódán eső feszültség adja.

A kondenzátor a diódán keresztül feltöltődik a jel amplitúdójának megfelelő feszültségűre, pontosan úgy, ahogy a félhullámú egyenirányításnál látható. Amikor a generátor feszültsége negatív, a diódán keresztül töltődik a kondenzátor egészen addig, amíg a generátor a legkisebb feszültséget adja, ami az amplitudója -1-szerese, ezért a kimeneten a generátorfeszültség és a kondenzátoron eső feszültség összege jelenik meg. Ha nincs terhelés a kimeneten, akkor a diódán eső nyitóirányú feszültség gyakorlatilag nulla, mivel ha a kondenzátor feltöltődött, áram sem folyik a diódán keresztül. A kondenzátor feszültsége tehát állandó, értéke megegyezik a jel amplitúdójának értékével, a dióda katódja felé eső kivezetés a pozitív polaritású. A kimeneti feszültség a generátor feszültségének és a kondenzátoron levő feszültségnek az összege, lényegében a generátor feszültségjeléhez hozzáadjuk az amplitúdójának megfelelő értéket, azaz ez a feszültség jó közelítéssel 0 V és a jelamplitúdó kétszerese között változik. Ennek minimuma így rögzített, nem függ a jel amplitúdójától.

Terhelés esetén a kondenzátor a töltési fázisok közt veszít a feszültéségéből, így az amplitúdó csökken, a jelalak is megváltozik.

Ha a diódát megfordítjuk, akkor a maximum érték lesz rögzített, azaz a jel negatív tartományba kerül, mivel a kondenzátor ebben az esetben azonos nagyságú, de ellentétes előjelű feszültségűre töltődik fel.

Segédfeszültséggel megválaszthatjuk a rögzítési szintet is:

Feszültségsokszorozás

Hasonló elven készíthetők feszültségsokszorozók.

Feszültségkétszerező lebegő generátorhoz

Az alábbi ábrán egy feszültségkétszerező kapcsolás látható:

A kondenzátorok most is a jel amplitúdójának megfelelő értékre töltődnek fel, sorba kapcsolásukkal ennek kétszerese jelenik meg a kimeneten terheletlen esetben. A kimenő áram természetesen befolyásolja a jelalakot és az átlagos értéket is.

Feszültségkétszerező földelt generátorhoz

Az alábbi áramkör kimenetén is a jelamplitúdó kétszerese jelenik meg, de most a generátor földelt és a kimeneti feszültség is a földponthoz képest értendő.

A C1 kondenzátort a D1 dióda az amplitúdónak megfelelő feszültségűre tölti fel, ahogy a fentebbi esetekben. Ennek alapján a D1 és D2 dióda csatlakozási pontjában a feszültség 0 V és az amplitúdó kétszerese között változik. Ez a feszültség tölti a C2 kondenzátort a D2 diódán keresztül, így tehát a kimeneti feszültség az amplitúdó kétszerese.

Feszültségháromszorozó földelt generátorhoz

Ennek az áramkörnek a működését konkrét értékekkel vizsgáljuk meg. Legyen a generátor szinuszos kimeneti jelének amplitúdója 10 V. A C1 kondenzátort a D1 dióda ekkor 10 V feszültségűre tölti fel. A C2 kondenzátor baloldali kivezetésére a generátor feszültsége jut, aminek a minimális értéke -10 V, a jobboldali kivezetésére viszont a C1 kondenzátor 10 V-os pontja van a D2 diódán keresztül kötve. Ezért a C2 kondenzátor 20 V-ra töltődik fel, azaz a D3 dióda anódjára a generátor jele és ennek az összege kerül, aminek maximuma 30 V. Ekkora feszültségűre töltődik fel a C3 kondenzátor.

Feszültségnégyszerező földelt generátorhoz

Ennek az áramkörnek a működését a fentiek alapján érdemes önállóan végiggondolni, ez alaposabb megértést eredményezhet. A megoldás ugyanolyan elvek használatával kapható meg, mint az előző esetekben.

Feszültségsokszorozó földelt generátorhoz

Az alábbi áramkör bővíthető további fokozatokkal is. A V_i feszültségek értéke jó közelítéssel i⋅2⋅V_g, ahol V_g a bemenő jel amplitúdója.

Feszültségkorlátozás, áramkörök védelme

Feszültségérték korlátok közé szorítására gyakran van szükség. Ok lehet az áramkörök bemeneteinek védelme (ami leggyakrabban a tápfeszültségen belül tartást jelent), túlvezérlés elkerülése, elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelem is.

Bemeneti jel korlátozása a tápfeszültségen belüli értékre

Feszültség korlátok között tartása egyszerűen megoldható diódákkal. Az alábbi példa a jelet -5 V - V_f és +5 V + V_f tartományban tartja (V_f a diódán eső nyitófeszültség).

Ha bemeneti feszültség meghaladja az +5 V + V_f értéket, a D2 dióda vezetni kezd és így a feszültséget nem engedi +5 V + V_f érték fölé jutni. Az ellenálláson áram folyik ekkor, ami a tápfeszültség felé folyik. Az ellenállás szerepe ennek korlátozása, így a jelforrás, a dióda és a tápfeszültség sem kap olyan terhelést, ami problémát okozhat. Az ellenállást érdemes ugyanakkor ezek mellett alacsony értéken tartani, hogy a megengedett tartományban ne befolyásolja a bemenetre jutó jelet számottevően.

Nézzünk egy példát erre. Legyen a legkisebb áram 5 mA, ami az ellenálláson folyhat (azaz a minimuma annak, amit a diódák, tápfeszültség, jelforrás megenged), a bemenő jel maximális értéke 12 V, a dióda nyitófeszültsége ekkora áramnál legalább 0.5 V. Ekkor a legnagyobb feszültség, ami az ellenálláson eshet 12 V-5.5 V. Így az ellenállás nem lehet kisebb, mint (12 V-5.5 V)/5 mA = 1300 Ω

12 V amplitúdójú szinuszos bemeneti jel esetén a jelalakok az alábbiak:

Előfordulhat, hogy a feszültségnek nulla körüli értéken kell maradnia (például műveleti erősítővel felépített invertáló kapcsolás esetén). Ekkor használhatjuk a következő megoldást:

Zener diódás feszültségkorlátozás

A jelek adott tartományba korlátozását segédfeszültségek nélkül Zener diódákkal is megoldhatjuk:

A Zener dióda nyitó irányban úgy viselkedik, mint a hagyományos dióda, nyitófeszültsége is azonos. Záróirányban a rajta eső feszültség nem lehet nagyobb, mint a letörési feszültség. A fentebbi áramkörben az egyik dióda nyitó-, a másik pedig záróirányban vezet, ha a bemeneti feszültség abszolút értéke meghaladja ezen feszültségek összegét.

Tranziensek elnyomása

Kapcsolt induktív terhelések (például jelfogók, mágnesszelepek, motorok) esetén az áram hirtelen megszüntetésekor (kikapcsoláskor) igen nagy negatív feszültséglökés keletkezhet az induktivitást leíró \(V(t)=L \cdot \frac {dI(t)}{dt}\) összefüggésnek megfelelően, ami károsíthatja a kapcsolót (ami gyakran tranzisztor). Ennek elkerülésére diódát használhatunk, ami a tranziens feszültséget elnyeli:

Áramkörök bemeneteit elektrosztatikus kisülés (ESD) és más túlfeszültség ellen tranziens szupresszorokkal védhetjük meg:

Gyártanak integrált áramköröket, melyekben több és többféle dióda biztosít védelmet túlfeszültség, elektrosztatikus kisülés ellen. Az ábrán egy USB vonalvédő áramkör látható (TPD2EUSB30), ami megvédi az áramköröket a csatlakoztatáskor, érintéskor gyakran fellépő tranziensektől. A diódák az adatvezetékeken levő feszültséget korlátozzák a olyan értékűre, melyek nem okoznak károsodást az áramkörökben.

Fordított polaritás elleni védelem

Ha felmerülhet annak esélye, hogy a tápfeszültség véletlenül fordítva is beköthető, akkor egy soros dióda alkalmas arra, hogy ilyen esetben az áramkör ne károsodhasson:

Számolni kell a diódán eső feszültség hatásával, normál működéskor ennyivel kevesebb lesz az áramkörre jutó feszültség. Ez nem okoz gondot, ha belső feszültségszabályozás és kellő feszültségtartalék áll rendelkezésre.

Mérőáramkörök

A diódák többféle mérőáramkörben használatosak. A nyitóirányú feszültség miatt precízebb alkalmazások esetén aktív komponensek lehetnek szükségesek. Ugyanakkor ez a feszültség elég kicsi is lehet (akár pár mV), ha a diódán kicsi áram folyik keresztül, az áram kis értékre csökken.

Csúcsérték

Az egyszerű félhullámú egyenirányító kapcsolás csúcsértékmérő áramkörként is használható:

Ha a jelforrás feszültsége nagyobb, mint a kondenzátoron eső feszültség, akkor a dióda kinyit és tölti a kondenzátort. Fordított esetben a dióda zár, így a kondenzátoron a feszültség nem változik. Ezt mutatja be a következő ábra:

A kapcsolóval törölni lehet a tárolt értéket a kondenzátor kisütésével.

Abszolút érték, effektív érték képzése

A teljes hullámú egyenirányítás abszolút érték közelítő mérésére lehet alkalmas. Az effektív feszültség az alábbi összefüggéssel adható meg:

Szinuszos jelekre V_RMS az amplitúdó \( \sqrt {2} \)-ed része, ≈ 0.71-szerese. Ez azt jelent, hogy az abszolút értékkel arányos az effektív érték, azaz visszavezethető az abszolút érték mérésére.

Optoelektronikai alkalmazások

LED szalag

Az alábbi ábra egy 12 V-os LED-szalag egy szegmensének kapcsolását mutatja:

A tápfeszültség megoszlik a 4 alkatrészen, természetesen a nagyobb része a 3 LED-en esik a jó hatásfok elérésének érdekében. A tipikusan 180 Ω értékű ellenállás csökkenti az áram-feszültség karakterisztika meredekségét, így kevésbé függ az áram és ezzel a fényerő a szegmensre jutó tápfeszültségtől. A vezetékellenállás miatt a tápfeszültség kisebb, ha a szegmens távolabb esik a szalagnak attól a végétől, ahová a tápfeszültség csatlakozik. Ez az oka annak is, hogy csak korlátozott szalaghossz ajánlott.

LED fényforrások

A LED fényforrások mára már kiváltották az izzószálas típusúakat. Ugyanabba a foglalatba helyezhetők, így a 230 V AC tápfeszültséget olyanná kell alakítani, ami alkalmas LED-ek meghajtására. Erre többféle megoldást használnak, egy egyszerűsített elvet mutat az alábbi ábra:

A váltófeszültség leosztását a kondenzátorok végzik, így minimális a teljesítményveszteség. A C2 kondenzátorral gyakran kötnek párhuzamosan egy 16 V-os Zener-diódát, ami a tranziens feszültséglökések ellen védi az áramkört.