3.ОСОБЕННОСТИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

При анализе и синтезе выпрямителей на полупроводниковых диодах приходится сталкиваться с целым рядом особенностей, связанных с отличием реальных диодов от идеальных. Ниже рассматриваются основные из них.

3.1. Учет потерь на выпрямляющих диодах

Как известно, при обтекании полупроводниковых диодов электрическим током на них наблюдается падение напряжения, большее порогового. Это значит, что максимальная величина выпрямляемого напряжения должна превышать желаемое максимальное напряжение на нагрузке на величину потерь в выпрямителе Uв. Величина потерь определяется схемой выпрямителя, точнее, количеством диодов включаемых последовательно с нагрузкой при обтекании ее током. Так для схем рис. 2, а и 3, а величины потерь напряжения Uв=Uд≈Uпг, а для схемы рис. 4, а –

Uв=2Uд.

В соответствии с изложенным: 1. Для схемы на рис. 2, а

max Uн=U2m-Uд , ср Uн=0,318(U2m-Uд), max Iн= U2m −Uд ,

Rн

ср Iн=0,318 U2m −Uд Rн

итак далее.

2.Для схемы на рис. 3, а:

max Uн=U2m-Uд, ср Uн=0,636(U2m-Uд), max Iн= U2m −Uд ,

Rн

ср Iн=0,636 U2m −Uд .

Rн

3. Для схемы на рис. 4, а:

max Uн=U2m-2Uд, ср Uн=0,636(U2m-2Uд), max Iн= U2m − 2Uд ,

Rн

ср Iн=0,636 U2m − 2Uд .

Rн

Совершенно очевидно, что при U2m>>Uд падением напряжения на выпрямителе можно пренебречь.

22

Пример 1. Рассчитать выпрямитель, выполненный по схеме рис 1, а.

Определить срUн, срIд, maxIд, Iтр, Uоб, если U2=20В, Rн=10 Ом, Uв=1В. Сформулировать требования к диоду и обмотке трансформатора.

Решение. Если нет специальной оговорки, то число 20В соответствует действующему значению напряжения на вторичной обмотке. Тогда

ср Uн=0,318( 2U2m − Uв )=8,65В,

ср Iд=срIн=	срUн		=	8,65В	= 0,865 А,
				10Ом
	R
	н
max Iд= maxUн		=		2 20В		= 2,72 А;
R				R
	н			н

Uоб=U2m= 2 20 =28,2В; Iтр=0,5maxIн=0,5maxIд=1,36А.

Следовательно, для данного выпрямителя необходим диод с максимальным током, большим 2,72А, средним током большим 0,865А и обратным напряжением, большим 28,2В. Провод вторичной обмотки трансформатора должен выбираться из условия тока через него, равного 1,36А.

Пример 2. Рассчитать выпрямитель, выполненный по схеме рис. 3, а.

Определить срUн, срIд, maxIд, Iтр, Uоб, если U2=20В, Rн=10 Ом, Uв=1В. Сформулировать требования к диоду и проводу вторичной обмотки

трансформатора.

Решение. Принимаем U2=20В в качестве действующего значения на-

пряжения. Тогда срUн=0,636(U2m–Uп)=0,636( 2 20–1)=17,3В,

	maxIд= U2m −Uп =			2 20 −1 = 2,72 А;
			Rн	10
ср Iд= 0,318	U2m −	U в	=0,86А, так как диод обтекается током только
	Rн
половину периода,
Uоб=2U2m= 2		2 20 =56,8В, Iтр=0,5maxIд=0,5 2,72А=1,36А.

Таким образом, для осуществления данного выпрямителя необходимы диоды с максимальным током более 2,72А, средним (номинальным, постоянным) током не менее 0,86А и обратным напряжением не менее 56,8В. Вторичная обмотка трансформатора должна быть выбрана из условия обтекания ее током не менее 1,36А.

Пример 3. Рассчитать выпрямитель, выполненный по схеме рис. 4, а,

если U2=20В; Rн=10 Ом; Uд=1В. Определить срUн, maxIд, срIд, Uд обр, I. Решение. Полагаем U2=20В действующим значением напряжения.

Найдем:

23

срUн=0,636(U2m–2Uд)=0,636( 2 20-2 1)=16,66В,

maxIд=	U2m −	2Uд	=	2 20 − 2B	=2,62А,
	Rн			10

срIд=0,318maxIд=0,318 2,62А=0,83А,

Uд обр=U2m= 2 20=28,2В, Iтр=0,707Iн max=0,707 2,62А=1,85А.

Таким образом, для выполнения такого выпрямителя нужен диод с максимальным током не менее 2,62 А, со средним (постоянным, номинальным) током не менее 0,83А и обратным напряжением не менее 28,2 В. Провод вторичной обмотки трансформатора должен быть рассчитан на ток не менее 1,85А.

3.2. Параллельное включение диодов

Если расчетный средний ток через диод выпрямителя превышает номинальный ток имеющихся в наличии диодов, то возникает необходимость их параллельного включения. При этом количество параллельно включаемых диодов выбирается таким, чтобы их суммарный номинальный ток превышал среднее значение расчетного тока через выпрямитель. Схема выпрямительного элемента, выполненного на двух параллельных диодах, представлена на рис. 14, а.

1

2

Рис. 14

Как известно, пороговые напряжения полупроводниковых диодов неодинаковы. Положим, например, что диод VD1 характеризуется Uпг1 и представляется вольт-амперной характеристикой 1, а VD2 имеет пороговое напряжение Uпг2 и характеристику 2 (рис. 14, б). Поскольку диоды включены параллельно, то к ним прикладывается одинаковое напряжение U. Как следует из рис. 14, б, оно обуславливает разные токи через диоды, т. е. I1 ≠ I2. Разница в токах, обтекающих диоды, определяется разбросом пороговых напряжений.

24

Пример 4. Выпрямительный элемент выполнен на двух параллельно включенных дискретных диодах. Определить распределение токов между диодами.

Решение. Поскольку разброс пороговых напряжений в дискретных диодах может достигать Uпг ≈ 0,1 В, то отношение токов в диодах окажется равным:

		Uпг1	ϕ			Uпг		0,1В
I1		I0е		T			ϕT = e
	=				= e			0,025В = е4 .
I2		Uпг2
			ϕT
		I0e

Таким образом, ток через диод VD1может превышать ток диода VD2 в десятки раз. Это может привести к выходу из строя диода VD1. Если это произойдет, то током перегрузится диод VD2, и он также выйдет из строя. Слово “может” используется здесь потому, что фактический разброс Uпг может оказаться любым меньшим 0,1В.

Для выравнивания токов через параллельно включенные диоды последовательно с ними иногда включают одинаковые сопротивления (рис. 15, а).

Рис. 15

В предыдущем примере (см. рис. 14) линия нагрузки 1/R была вертикальной, так как R=0 – пунктирная вертикаль, восстановленная из точки “U”. В рассматриваемом случае линия нагрузки определяется двумя точками с координатами U и U/R. Ее пересечение с вольт-амперными характеристиками диодов определяет токи через них (рис. 15, б). Очевидно, чем больше R, тем меньше разнятся токи через диоды. Включение последовательных резисторов, в самом деле, уменьшает разброс токов в параллельно включенных диодах. Вместе с этим ухудшается и эффективность выпрямителя.

Разброс пороговых напряжений в диодах, изготовленных средствами интегральной технологии, много меньше. Он не превышает Uпг<0,01В. Следовательно отношение токов, например, в двух параллельно включенных диодах составит I1 / I2 = e0,01/ 0,025 , т. е. такие диоды можно включать

параллельно даже без симметрирующих резисторов.

25