¿Cuáles son las diferentes funciones de los diodos en sistemas CC y CA?

一, Diferencias en mecanismos físicos: adaptación bidireccional de conductividad unidireccional.
La característica principal de un diodo proviene de la conductividad unidireccional de la unión PN: conduce cuando está polarizado en directa (con una resistencia de aproximadamente decenas de ohmios) y se apaga cuando está en polarización inversa (con una resistencia de megaohmios). Esta característica debe adaptarse funcionalmente mediante diferentes métodos en sistemas de CC y CA.

Sistema DC: control unidireccional estático
En un sistema de CC, los diodos se encuentran en un estado de corte o conducción unidireccional estable. Por ejemplo, en el bus de CC de un inversor fotovoltaico, los diodos de circulación libre en paralelo continúan conduciendo cuando el IGBT está apagado, proporcionando un camino libre para la corriente del inductor. Su resistencia de CC (caída de voltaje directo de aproximadamente 0,7 V) determina la pérdida de energía, mientras que el tiempo de recuperación inversa (generalmente nivel de nanosegundos) tiene un impacto relativamente pequeño en escenarios de CC.

Sistema de comunicación: conmutación de ciclo dinámico.
En los sistemas de comunicación, los diodos necesitan cambiar rápidamente su estado de conducción entre los semiciclos positivo y negativo de 50 Hz/60 Hz. Tomando como ejemplo el circuito rectificador de puente, cuatro diodos conducen alternativamente para convertir la energía de CA en energía de CC pulsante. En este punto, la resistencia de CA del diodo (que varía con la frecuencia) y el tiempo de recuperación inversa (que afecta las pérdidas de alta-frecuencia) se convierten en parámetros clave. Por ejemplo, diodos de recuperación rápida (tiempo de recuperación inverso<50ns) can reduce conduction losses by 15% in high-frequency switching power supplies.

2, funciones principales en sistemas DC
1. Protección de polaridad y aislamiento inverso.
En el extremo de entrada de la fuente de alimentación de CC, un diodo conectado en serie puede evitar que se invierta la fuente de alimentación. Cuando se invierte la polaridad, el diodo se somete a tensión inversa y se corta, evitando daños posteriores en el circuito. Por ejemplo, el cargador de automóvil utiliza un diodo 1N4007 (voltaje soportado inverso 1000 V), que puede soportar el alto voltaje transitorio cuando la batería del automóvil está invertida.

2. Flujo de continuación y liberación de energía.
En un circuito de carga inductiva, los diodos proporcionan un camino libre para la corriente del inductor. En el controlador del motor, el diodo de rueda libre conduce cuando el IGBT está apagado para evitar que la fuerza contraelectromotriz del inductor penetre en el tubo del interruptor. Sus características de recuperación inversa afectan directamente la eficiencia del sistema: los diodos ordinarios tienen un tiempo de recuperación inversa de aproximadamente 200 ns, mientras que los diodos Schottky (sin proceso de recuperación inversa) pueden mejorar la eficiencia entre un 3% y un 5%.

3. Estabilización de voltaje y fijación de voltaje.
Los diodos Zener logran una regulación de voltaje precisa en sistemas de CC. Por ejemplo, un diodo Zener de 5,1 V conectado en paralelo en una fuente de alimentación de 12 V CC puede estabilizar el voltaje de salida en 5,1 V ± 5 %. La resistencia dinámica (generalmente unos pocos ohmios) determina la precisión de la estabilización del voltaje, mientras que la capacidad de disipación de energía (como el paquete de 1 W, 5 W) determina el escenario de aplicación.

3, funciones principales en los sistemas de comunicación.
1. Rectificación y conversión de formas de onda.
La rectificación es la función fundamental de los diodos en los sistemas de CA. En un circuito de rectificación de media onda, un solo diodo convierte la corriente alterna en corriente continua pulsante, con una eficiencia de aproximadamente el 40,6%; La eficiencia del circuito de rectificación de onda completa (transformador de toma central+dos diodos) se ha mejorado al 81,2%; El circuito rectificador de puente (cuatro diodos) logra la rectificación de onda completa sin necesidad de una derivación central, convirtiéndose en la solución principal.

2. Detección y demodulación de señal.
En las comunicaciones inalámbricas, los diodos logran una detección de señales de alta-frecuencia. Por ejemplo, en las radios AM, los diodos utilizan conductividad unidireccional para extraer señales de audio y su capacitancia de unión (normalmente unos pocos picofaradios) afecta la respuesta de alta-frecuencia. Por lo tanto, es necesario seleccionar un diodo dedicado para la detección (como el 1N34A).

3. Aplicaciones de mezcla y conversión de frecuencia.
En los circuitos de alta-frecuencia, las características no lineales de los diodos permiten la conversión de frecuencia. En un mezclador, una estructura doble balanceada que consta de dos diodos puede mezclar la señal de entrada con la señal del oscilador local para generar una señal de frecuencia intermedia. La capacitancia de la unión y la resistencia en serie determinan la eficiencia de la mezcla, y es necesario utilizar diodos de montaje en superficie (como la serie HSMS-286x) para reducir los parámetros parásitos.

4, Comparación de escenarios de aplicación típicos
Dimensión funcional Aplicación del sistema CC Aplicación del sistema CA
Función de protección: protección contra inversión de potencia, supresión de sobretensión del inductor, filtrado EMI
Conversión de energía de células fotovoltaicas, control MPPT, carga de batería, conversión de CA-CC, variador de frecuencia
Procesamiento de señales, regulación de voltaje, construcción de puertas lógicas, detección y demodulación, modulación de mezcla de frecuencia.
Los dispositivos típicos incluyen diodos Schottky, diodos Zener, diodos de recuperación rápida y diodos rectificadores.
5, modos de falla y efectos del sistema.
Fallo del sistema DC: riesgo de cortocircuito y fuga térmica
En los sistemas de CC, la rotura de diodos (especialmente la rotura térmica) puede provocar cortocircuitos permanentes. Por ejemplo, la rotura del diodo de rueda libre en un inversor fotovoltaico puede hacer que el voltaje del bus de CC se aplique directamente al colector IGBT, lo que provoca la explosión del módulo. Este tipo de falla requiere protección dual a través de resistencias limitadoras de corriente (como 0,1 Ω/5W) y fusibles.

Fallo del sistema de comunicación: distorsión de la forma de onda y parálisis del sistema.
En los sistemas de comunicación, la degradación de los parámetros del diodo (como un tiempo prolongado de recuperación inversa) puede causar distorsión de la forma de onda rectificada. En el controlador del motor, cuando el tiempo de recuperación inversa del diodo rectificador aumenta de 50 ns a 200 ns, la distorsión armónica aumenta del 3 % al 12 %, provocando que la vibración del motor se intensifique. Este tipo de falla requiere un mantenimiento predictivo mediante monitoreo en línea de la temperatura de la unión del diodo (termografía infrarroja).