Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

• Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
• Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
• Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

• В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
• Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
• В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

• БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
• В диодном мосту;
• В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
• В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

• Частота тока;
• Значения входного тока в амперах;
• Параметр входного напряжения в вольтах;
• Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

• Первый символ – Д – диод;
• Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
• Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

Обратный ток диода / 0, если утечки малы, почти не зависит от напряжения на р — / г-переходе, но в сильной степени зависит от температуры. При достижении напряжения пробоя обратный ток резко возрастает за счет лавинного, или Зенеровского, пробоя. Если прибор не рассчитан специально для работы в области пробоя (как, например, стабилитрон и обращенный диод), то вслед за лавинным наступает и тепловой пробой, и диод гибнет. Заметим, что иногда тепловой пробой развивается раньше всех остальных.  

Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения. Главными причинами различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов являются ток т е р м о — генерации в объеме и на поверхности перехода и ток утечки по поверхности перехода. В германиевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации мал и обратный ток близок к току насыщения. В кремниевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации является основной составляющей обратного тока.  

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10 С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2 5 раза.  

Обратный ток диода возрастает при освещении p — n — перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических измерений. С этой целью в корпусе фотодиода делается прозрачное окно. На рис. 10.5 показано схемное обозначение фотодиода, на рис. 10.6 приведена его схема замещения, а на рис. 10.7 представлено семейство характеристик. Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, который пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фотодиод может использоваться без дополнительного источника питания. Чувствительность фотодиодов обычно составляет около 0 1 мкА / лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р-п-пе-рехода.  

Обратный ток диода изме-ряется микроамперметром ИТ. Выходное сопротивление генератора постоянного напряжения должно быть достаточно малым, так как выходное напряжение ГН не должно меняться более чем на 1 % при изменении величины / обр от нуля до максимального (для испытываемого диода) значения. Вольтметр включают до измерителя тока и его блока защиты БЗ. Поэтому падение напряжения на измерителе тока и токонесущих элементах схемы защиты не должно превышать 2 % от устанавливаемой величины обратного напряжения. Если генератор напряжения питается от сети, то пульсации на его выходе не должны превышать 1 % от выходного напряжения.  

И как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов .

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p -типа, а другая — проводимостью n -типа.

На рисунке дырки , преобладающие в области p -типа, условно изображены красными кружками, а электроны , преобладающие в области n -типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом :

Анод – положительный электрод дырки .

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны .

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс » а на вывод катода «минус », то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n -типа устремятся навстречу дыркам в область p -типа, а дырки из области p -типа двинутся навстречу электронам в область n -типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом , они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация .

Например. Oсновные носители заряда в области n -типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p -типа, в которой они становятся неосновными . Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться

Прекращаем ставить диод / Хабр

После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?

История вопроса

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Наивное решение (реле постоянного тока)

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)

Примерная схема такого устройства:

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

Архив с файлами схемы и разводки для EAGLE.

Спасибо за внимание.

Что такое технология прямого диодного лазера?

Mazak внедряет технологию прямого диодного лазера для лазерной резки с OPTIPLEX 3015 DDL

Аль Болен, президент Mazak Optonics Corp.

Недавно компания Mazak Optonics Corp. представила первый в своем роде станок для лазерной резки, в котором использовался прямой диодный лазер (DDL), OPTIPLEX 3015 DDL. Эта машина изменила игру для лазерной резки высокой мощности.Технология прямого диодного лазера потрясла индустрию промышленной лазерной резки, но не все понимают, что это такое, как оно работает или почему оно получило такую ​​популярность.

Что такое технология прямого диодного лазера (DDL)?

Название объясняет процесс. Технология DDL использует диоды напрямую. Это достигается за счет устранения системы легированного волокна, используемой в технологии волоконного лазера. Что, в свою очередь, делает курс DDL более эффективным, поскольку промежуточный процесс теперь исключен.Прямые диодные лазеры также являются самым маленьким и самым надежным лазерным источником, и все они имеют исключительно высокое качество луча.

Что сейчас представляет DDL в качестве лазерного источника?

До недавнего времени DDL был доступен только при более низких уровнях мощности, менее 2000 Вт, что ограничивало его использование в более широком спектре приложений для промышленной резки. Сегодня платформа была разработана и расширена для поддержки более 8000 ватт.Эти более высокие уровни мощности в сочетании с его уникальными характеристиками, включая надежность, эффективность и качество, теперь позволяют использовать DDL в более толстых материалах. В то время как многие пользователи лазера используют твердотельную лазерную технологию и преимущества от более высоких скоростей резания и более низких затрат на эксплуатацию, эти пользователи желают получить высокое качество кромки, которое еще не было возможно с технологией волокон и дисков.

Каковы преимущества?

Компания DDL сделала три основных достижения в области технологий CO2, оптоволокна и дисковых лазеров.

Во-первых, это общая эффективность лазера. Как вы можете видеть ниже, DDL Mazak имеет улучшенную эффективность розетки по сравнению с любыми другими лазерными источниками. Это связано с тем, что диоды можно использовать напрямую, а не через систему с легированными волокнами.

Вторым ключевым преимуществом технологии DDL является скорость резания. DDL имеет преимущество в скорости резания, как правило, примерно на 15% быстрее для всех типов материалов и толщин, но оно наиболее заметно в алюминии.В некоторых случаях мы наблюдаем увеличение скорости резки алюминия на волокно или диск на 30%.

Однако самое примечательное — это превосходное качество резки всех материалов по сравнению с типичными результатами, полученными в технологии волокон или дисков. Из-за DDL длина волны и форма луча характеристики отличаются от других лазерных источников. Характеристики DDL таковы, что мы можем обеспечить более высокое качество кромок, еще не видимое на оптоволоконном или дисковом лазере, при работе на скоростях, которые во многих случаях быстрее.У DDL есть возможность разрезать широкий спектр типов материалов и толщин, которые, безусловно, включают различные стальные составы, алюминий, нержавеющую сталь и т. Д. Кроме того, DDL очень хорошо способен резать титан, хастеллой, инконель и другие экзотические материалы. ,

Что Mazak Optonics предлагает для технологии DDL?

В настоящее время Mazak Optonics Corp. предлагает 2D-станки для лазерной резки с использованием технологии DDL, которые представляют собой мощную, высокоскоростную систему лазерной резки плоского листа.

Система лазерной резки OPTIPLEX 3015 DDL изменила игру благодаря безупречному качеству обработанных деталей и невероятной скорости резки. Эта машина также имеет нашу новую передовую систему управления и привода PreviewG, которая имеет встроенные технические таблицы для упрощения работы. OPTIPLEX 3015 DDL включает в себя нашу интеллектуальную мультиконтрольную технологию горелки HP-D и насадку для смены форсунки, что напрямую повышает производительность конечного пользователя, позволяя машине автоматически оптимизировать настройку горелки в соответствии с программой.Эта оптимизация может значительно улучшить скорость резания, увеличить производительность и потребовать меньше вмешательства оператора, обеспечивая более предсказуемую обработку день за днем.

Mazak вложил значительные средства в разработку собственной технологии DDL. Мы рады, что это уникальное преимущество эксклюзивно для Mazak. Мы зарекомендовали себя как первыми на рынке с DDL и как лидер в разработке DDL. Мы будем продолжать расширять свои уровни мощности и предлагать во всех диапазонах наших продуктов.

Для получения более подробной информации о решениях лазерной резки DDL, предлагаемых Mazak Optonics, ознакомьтесь с OPTIPLEX 3015 DDL. Чтобы узнать больше о технологии DDL, посмотрите исследование, проведенное на прямых диодах по сравнению с другими лазерными системами, используемыми для лазерной резки от Industrial Laser Solutions.

Читать дальше Блог

О Mazak Optonics Corporation

Mazak Optonics Corporation является основным поставщиком систем лазерной резки, предлагающим 50 лазерных моделей и ведущим в отрасли по внедрению новых лазерных технологий.Штаб-квартира компании в Северной Америке площадью 50 000 кв. Футов находится в Элгине, штат Иллинойс, и располагает центром лазерных технологий площадью 30 000 кв. Футов, в котором размещается до 18 машин для демонстраций и обучения. Mazak Optonics является частью корпорации Yamazaki Mazak (Oguchi, Япония), мирового лидера по производству станков и систем для точной обработки металлических деталей, включая токарные центры с ЧПУ, горизонтальные и вертикальные обрабатывающие центры, многоцелевые обрабатывающие центры, ячейки под ключ и программные решения.Штаб-квартира компании «Ямазаки Мазак» в Северной Америке расположена во Флоренции, штат Кентукки. Для получения дополнительной информации о продуктах и ​​решениях Mazak Optonics посетите веб-сайт www.mazakoptonics.com, отправьте электронное письмо по адресу [email protected] или позвоните по номеру 847.252.4500.

Мощные прямые диодные лазеры для резки и сварки

Комбинирование длинноволновых лучей обеспечивает сверхвысокую яркость на любой длине волны. вызывает интерес у мировых интеграторов лазерных систем. Я попросил Джея Либовица из TeraDiode, который в настоящее время является одним из двух поставщиков, объяснить, почему лазер его компании вызвал такой интерес. Читатели могут получить другое представление, прочитав отчет по приложениям доктораSilke Pflueger, появившийся в январском / февральском выпуске Industrial Laser Solutions. — DAB

---

Двумя крупнейшими применениями для мощных промышленных лазеров являются резка и сварка мягкой стали, нержавеющей стали и других металлов. Только эти два приложения формируют, согласно этому журналу, рынок стоимостью около двух миллиардов долларов, состоящий из производителей станков, которые производят режущее оборудование для производителей металла и системных интеграторов, которые производят автоматизированное сварочное оборудование, главным образом для производителей автомобилей и других транспортных средств.Лазеры, используемые в этих двух применениях, имеют мощность от 1 до 20 кВт, но в основном находятся в диапазоне 2–6 кВт. Они различаются не только по мощности, но и по качеству луча, измеренному в продукте параметров луча (BPP), где сварка требует значений BPP не выше, чем низкие десятки миллиметров в миллирадианах (мм-мрад), а требования к резке в 10 раз ниже в немногих мм-мрад. Лазер, который излучает многокиловаттную мощность и имеет значение BPP всего 4 мм-мрад — идеальная комбинация для высокоскоростной резки нержавеющей стали толщиной, например, несколько миллиметров — называется сверхвысокой яркостью.

В первом поколении промышленных лазеров сверхвысокой яркости, впервые использовавших лазерную резку металла, использовались лазеры CO ₂ с длиной волны 10 мкм, которые могут быть такими же большими и тяжелыми, как пикап, и иметь эффективность при подключении к стене. примерно на десять процентов. Аналогичные по размеру твердотельные лазеры с ламповой накачкой 1 мкм, эффективность которых составляет несколько процентов, а качество луча достаточно хорошее для сварки. Оба также страдают от различных потребностей в обслуживании. В последнее десятилетие появилось второе поколение, основанное на коммерциализации диодных лазеров высокой яркости.Эти диоды позволяли накачивать вторичные активные среды для создания более эффективных, более компактных твердотельных лазеров. Волоконные и дисковые лазеры с диодной накачкой имеют размеры бытовой техники и имеют эффективность использования штепсельной вилки примерно в три раза выше, чем у их аналогов первого поколения. Волоконные и дисковые лазеры имеют яркость не только для сварки, но и для резки. Более того, циклы технического обслуживания сокращены относительно их предшественников. Недавние результаты резки толстой нержавеющей стали позволяют предположить, что лазеры 1 мкм могут сделать лазеры CO ₂ устаревшими.

Прямо-диодная утилита

Использование диодных лазеров для накачки вторичных сред, конечно, поднимает вопрос о том, как устранить «среднего человека» и использовать диоды напрямую. Фактически, исследователи начали такие исследования сразу же после изобретения диодного лазера в начале 1960-х годов. В конце концов, диодный лазер — самый маленький, самый эффективный, самый дешевый и самый надежный лазер. На уровне одного излучателя качество луча чрезвычайно высокое, что позволяет использовать оптоволоконные телекоммуникационные сети на тысячи миль.Задача состоит в том, чтобы объединить лучи огромного количества диодов, чтобы достичь сверхвысокой яркости, не жертвуя при этом размером, эффективностью, стоимостью и надежностью

.Прямые диоды

по сравнению с другими лазерными системами, используемыми в лазерной резке

обеспечивают более высокую скорость и качество резки

FRANCISCO VILLARREAL SAUCEDO, БИЕН ЧАНН, БРИС САМСОН и ПАРВИЗ ТАЙБАТИ

Недавний интерес к использованию лазеров с прямым диодом, а не волокон или CO ₂ лазеров в значительной степени благодаря улучшениям в производительности, которые теперь позволяют высокоскоростной диодной лазерной резки всех соответствующих промышленных металлов. Сочетание более высокой эффективности штепсельной вилки вместе с повышенной надежностью и простотой обслуживания уже давно сделали лазеры с прямыми диодами святым Граалем компаний, занимающихся лазерной обработкой материалов, что также привлекает более низкая стоимость производства.Эта статья демонстрирует преимущества по сравнению с альтернативными лазерами, поскольку лазеры с прямыми диодами превосходят волоконные лазеры по скорости резки во многих тонких материалах, особенно в алюминии, и в настоящее время соответствуют качеству резки в более толстых материалах — последняя сфера систем резки металлов CO ₂ . Недавние выпуски продуктов системными интеграторами теперь подтверждают эти улучшения производительности.

Повышение скорости резания

Переход от лазеров CO ₂ к волоконным лазерам за последние 10 лет обусловлен главным образом улучшением скорости резания — часто в 2–3 раза быстрее, чем лазеры CO ₂ , которые могут достичь тот же уровень мощности [1].Это может быть легко объяснено более высоким поглощением луча в большинстве металлов, связанных с длиной волны 1,08 мкм, по сравнению с 10,6 мкм для лазера CO ₂₉ (РИСУНОК 1).

Другие преимущества, такие как система доставки волокна, более высокая эффективность штекера и более низкие затраты на техническое обслуживание, также способствовали внедрению этой технологии, но чаще всего рассматриваются как дополнительные преимущества для повышения скорости резки.Недавние инновации в лазерных системах с прямым диодом теперь позволяют осуществлять прямую резку металлов с помощью диодов, устраняя сложность и стоимость, связанные с волоконными и дисковыми лазерами, которые требуют дополнительных компонентов и вторичной среды усиления для получения луча достаточно хорошего качества для материала. обработка [2]. В результате этого впервые стало возможным сравнение систем прямой диодной и волоконной лазерной резки, что стало темой нескольких презентаций на семинарах и конференциях в 2015 году [2-4].Результаты этого сравнения показывают, что улучшение скорости резания достигается, в частности, в таких материалах, как алюминий, в результате более сильного поглощения на длине волны диода около 970 нм (РИСУНОК 2). Улучшение скорости резания может достигать 100% в случае лазера с прямым диодом мощностью 1 кВт, подаваемого на волокно 50 мкм (BBP ~ 2,5 мм-мрад), по сравнению с сопоставимым волоконным лазером, работающим на длине волны 1,08 мкм (аналогичный размер пятна на заготовке). в обоих случаях).

Хотя это и менее драматично, в других металлах сообщается о типичных отчетах об увеличении скорости резания на 10-20%. В качестве примера мы показываем сравнение (РИСУНОК 3) скорости резки в углеродистой стали между волоконным лазером мощностью 2 кВт и лазерной системой с прямым диодом мощностью 2 кВт [3], с одинаковым размером пятна в обоих случаях на заготовке (кислородный газ ).Предварительные данные для прямого диодного лазера благоприятны по сравнению с типичным диапазоном скорости резания, полученным от волоконного лазера [3]. Также обратите внимание на расширенный диапазон резки для более толстых материалов в этом наборе данных, где качество резки поддерживалось до толщины 15 мм (РИСУНОК 4) по сравнению с пределом 12 мм для волоконной лазерной системы. Это повторяющаяся особенность лазерных систем с прямым диодом, о чем сообщалось в других статьях за последний год для других материалов [4]. Эти преимущества в качестве резки будут обсуждаться в следующем разделе.

Также улучшена резка высокоотражающих материалов в лазерных системах с прямым диодом, чему способствует пониженная чувствительность к обратному отражению, присущая этим лазерам. Действительно, это особая проблема, связанная с волоконными лазерами, где легированное иттербием волокно традиционно очень чувствительно к обратному отражению и обычно требует