Однако и в этом случае следует иметь в виду необходимость обеспечения одинаковых температур корпусов параллельно включенных диодов. Иначе неизбежна разница в токах, обтекающих диоды. В самом деле, пусть из двух абсолютно идентичных диодов, у которых Uпг1=Uпг2, корпус одного из приборов окажется нагретым на 30°С больше, нежели корпус другого прибора. Это приводит к различию пороговых напряжений

Uпг = 2,5мВ/оС×30°С = 75мВ. В результате токи через диоды окажутся разнящимися, то есть

	I1	0,075	мВ
		= e0,025	мВ = e3 .
	I2

Таким образом без особой необходимости не стоит включать диоды параллельно. В случае же неизбежности такого схемотехнического решения следует иметь в виду изложенные выше соображения. Обычно диоды монтируют на общем теплоотводе, обеспечивая одинаковый тепловой контакт между корпусом диода и теплоотводом.

3.3. Последовательное включение диодов в выпрямителях гармонических напряжений

Если расчетное значение обратного напряжения Uв обр на выпрямляющем элементе превосходит напряжения пробоя Uпб имеющихся диодов, то неизбежно их последовательное включение. При этом приходится выполнять условие nUпб>Uв обр Kз, где: Kз – коэффициент запаса, обычно равный 1,5÷2; Uв обр – расчетное значение обратного напряжения на выпрямительном элементе из n последовательно включенных диодов; Uпб – напряжение пробоя имеющихся в наличии диодов. Схема такого выпрямительного элемента показана на рис. 16,а.

Тр

ебуемое количество диодов в нем определяется условием:
n =	(1,5÷2) Uвобр	.
	Uпб

26

В справочниках иногда рекомендуется шунтировать в подобном случае диоды резисторами с одинаковыми сопротивлениями, рис. 16, б. Такое решение совсем не обязательно. Оно продиктовано следующими соображениями. Как известно, реальные диоды характеризуются большим разбросом обратных токов. При одинаковых обратных напряжениях, прикладываемых к диодам, это соответствует разным обратным сопротивлениям диодов. Таким образом, один из трех диодов на схеме рис. 16, обладающий несравненно большим обратным сопротивлением, может войти в режим электрического пробоя. Однако это не катастрофично. Электрический пробой здесь не может перейти в тепловой, поскольку остальные, последовательно включенные диоды, ограничивают ток в нем допустимым значением обратного тока через диоды данного типа.

Пример 5 Расчетное обратное напряжение на высоковольтном выпрямителе

составляет Uд обр=1000В. Диоды, имеющиеся в наличии, имеют напряжение пробоя Uпб=400В. Определить требуемое количество диодов в выпрямителе. Проанализировать ситуацию применительно к существенно разнящимся обратным токам диодов.

Решение

Принимаем коэффициент запаса Kз=1,6. Тогда количество диодов в выпрямителе:

n =1.6×1000B = 4. 400B

Схема выпрямительного элемента представлена на рис.17. Положим, что диод 4 обладает очень высоким обратным сопротив-

лением. Тогда он войдет в режим электрического пробоя, и на нем будет падать напряжение Uд=400В. На остальных трех диодах обратное напряжение составит Uобр1-3=1000В-400В= =600В. Этого напряжения достаточно, чтобы ввести в электрический пробой еще один диод, так как Uпб=400В<600В.

27

Положим, что им окажется диод с номером 3. Тогда на двух диодах, диодах 3 и 4, будет наблюдаться суммарное падение напряжения Uобр3- 4=2×400В=800В.

К двум оставшимся последовательно включенным диодам, диодам 1 и 2, будет приложено напряжение Uобр1-2=1000В-800В=200В. Следовательно, ни один из диодовдиодов 1 или2не может войти в режим пробоя, так как Uпб=400В>200В. Следовательно, через четырехдиодный выпрямитель будет протекать обратный ток, равный наименьшему обратному току одного из диодов, 1 или 2. Этот же ток будет протекать и через диоды, вошедшие в режим пробоя. Поскольку это допустимый обратный ток через диоды, то он не сможет ввести диоды 3 и 4 в режим теплового пробоя.

Величина обратного тока, вводящего диод в режим теплового пробоя, может быть определена из следующих простых соображений. Через диод в режиме пробоя течет обратный ток Iдо. При этом падение напряжения на нем равняется напряжению пробоя Uпб, если пробой электрический. Следовательно, в диоде рассеивается мощность Pв=IдоUпб. Эта мощность не должна превышать номинальную мощность рассеивания в диоде. В кремниевых диодах при прямом падении напряжения на них равном приблизительно одному вольту Pрас доп=Iн×1В. Отсюда допустимый обратный ток диода:

Iдо доп Uпб ≤ Iн×1В,

I	додоп	≤	Iн	.
			Uпб

Пример 6 В предыдущем примере в качестве элементов выпрямителя использо-

вались кремниевые диоды с прямым падением напряжения в 1В при номинальном токе 1А. Определить максимальный обратный ток через диод, превышение которого вводит диод в режим теплового пробоя.

Решение

Iобрдоп =1400А 1ВВ = 2,5mA.

Это достаточно большой ток, который вряд ли может наблюдаться в последовательно включенных диодах, не введенных в режим пробоя.

Анализ режимов работы последовательно включенных диодов в выпрямителях гармонических напряжений показал, что их шунтирование резисторами совсем не обязательно. Безусловно, при шунтировании ни один из последовательных диодов не вводится в режим пробоя, но при этом ухудшаются выпрямляющие свойства выпрямительного элемента из-

28

за увеличения его обратного тока через шунтирующую резистивную цепь. Вместе с тем введение диодов в режим пробоя совсем не означает возможность их перехода в режим теплового пробоя из-за ограничения обратного тока в цепи диодами, не вошедшими в режим электрического пробоя.

3.4. Последовательное включение диодов в выпрямителях прямоугольных напряжений

В этом случае ситуация выглядит иначе, нежели при выпрямлении гармонических напряжений. Отличие состоит в необходимости учета дополнительных мощностей рассеивания, наблюдаемых в диодах при их включении и выключении. Поскольку время включения много меньше времени выключения, то стоит обсуждать лишь дополнительный нагрев, обусловленный последним фактором. Время выключения реальных дио-

дов конечно, то есть tвыкл≠0. Более того, оно разнится от образца к образцу. У диодов одного и того же типа эта разница может быть существенной.

Ненулевое время выключения, а также его неодинаковость у последовательно включенных диодов, приводит к существенному их дополнительному нагреву. Представляется целесообразным рассмотреть эту ситуацию на простейшем примере.

Пример 7 Выпрямитель прямоугольных импульсов питает резистивную нагруз-

ку, зашунтированную конденсатором. Максимальное выпрямляемое напряжение U=±500В. В наличии имеются диоды с Uпб=400В. Сопротивление нагрузки Rн=0,2к. Емкость конденсатора С=1000мкФ.

Определить количество диодов, требуемое для реализации выпрямителя и мощность рассеивания в диодах, если tвыкл=5мкс для большинства

диодов выпрямителя и tвыкл=3мкс – для одного из них. Схема выпрямителя представлена на рис. 18.

29

Решение Из принципа действия данного выпрямителя следует, что конденса-

тор		C			подзаряжается		в	течение	времени
t3 =	T	=		1		=10мс. Столько же времени он подразряжает-
			2	×50
2
ся: tр=t3=10мс.						Постоянная	времени	разряда	конденсатора
τр=C×Rн=1000мкФ×0,2К=200мс. Это значит, что для полного его разря-
да необходимо время tпр=5τ=5×200мс=1000мс. Таким образом время, от-
водимое конденсатору для разряда, много меньше времени, необходимого
до полного разряда, так как 10мс<<1000мс. Следовательно конденсатор
C в данной схеме, однажды зарядившись, практически не разряжается.
Постоянная					времени заряда		конденсатора C		составляет
τ3=C×Rn=1000мкФ×0,005К=5мс. Если принять, что для полного заряда
конденсатора, то есть до Uс=U=500В, опять таки необходимо время
tп3=5τ3=5×5мс=25мс, то нетрудно убедиться в том, что неразряжаю-
щийся конденсатор полностью зарядится за время равное 3 периодам.
Таким образом, в установившемся режиме, приблизительно за три пе-
риода, выпрямляемого напряжения, конденсатор заряжается до напря-
жения Uс=500В.
В непроводящий полупериод, знаки без скобок, к выпрямителю оказы-
вается приложенным Uп+Uс, Так как два этих напряжения оказываются
включенными последовательно, то обратное напряжение выпрямителя:
						Uобр в=500В+500В=1000В.
Отсюда представляется возможным определить требуемое количе-
ство диодов выпрямителя. Оно равно
						30			n =	1,6×1000В	= 4
										400В

Схема выпрямителя представлена на рис. 19.

Как следует из условия задачи, в обратный полупериод выпрямляемого напряжения в течение 3 мкс диоды выпрямителя не размыкают цепь – проводят ток в обратном направлении. Он равен

= 1000В = 1000В =

Iобри Rn 5Ом 200А.

Мощность, выделяемая на каждом диоде в импульсе, если считать диоды кремниевыми, с падением напряжения на диоде равным 1В, составляет

Pи1=Iобр и×1В=200А×1В=200Вт.

Средняя мощность, выделяемая на диоде в результате воздействия импульса Pи1 равна

	Pср1 =	Pи1 tи1	=	200Вт 3мкс	=	3Вт	≈ 0.
		T		20000мкс		100

Через 3 мкс один из диодов – наиболее быстродействующий – выключается. Он пытается разомкнуть цепь. Однако, поскольку Uпб=400В, а Uобрв=1000В, то этот диод входит в режим электрического пробоя и падение напряжения на нем составит Uпб=400В. При этом ток в цепи окажется равным

= 1000В− 400В =

Iи2 5Ом 120А.

Мощность в импульсе в этом случае составляет

31

Pи2=Iи2×Uпб=120В×400В=4,8 104Вт=48кВт.

Средняя мощность, выделяющаяся в быстродействующем диоде, от

воздействия Pи2 составляет
P	=	48кВт(5мкс−3мкс)	=	48кВт×2мкс	= 4,8Вт
ср2		Т		20000мкс

.

По истечении 5 мкс все диоды размыкают цепь и ток нагрузки уменьшается практически до нуля. Таким образом в непроводящие полупериоды из-за конечного и разнящегося времени выключения диодов в них выделяется дополнительная мощность

Pд=Pср1+Pср2=4,8Вт.

Без учета переходных режимов номинальный ток через выпрямитель определяется током нагрузки и окажется равным

Iн1 =	Uc	=	500В	= 2,5А
	R		0,2кОм
				.
	н

Дополнительная мощность рассеяния, обусловленная переходными режимами, приводит к необходимости выбирать диоды на номинальный ток, превышающий Iн1. Этот избыточный ток оценивается следующим способом. Полагая диоды кремниевыми получим

Iндоп =1PВд = 4,18ВВт = 4,8А.

Таким образом в данном выпрямителе необходимо использовать диоды не с номинальным током равным 2,5 А, а с номинальным током Iн=2,5А+4,8А=7,3А. Это означает либо существенное увеличение массогабаритных характеристик диодов выпрямителя, если выбирать их с Iн=7,3А, либо их перегрев, если выбирать диоды с Iн<7,3А. Поскольку Iн оценить трудно, то в реальных выпрямителях диоды могут перегреваться. Во избежании их перегрева приходится “заваливать” фронты импульсов прямоугольных обратных напряжений, прикладываемых к выпрямителю. Это достигается шунтированием диодов, но не резисторами, а конденсаторами, рис.19. Требуемая емкость конденсатора определяется очевидным соотношением

C =	n	tвыкл	,
		R
		n

где n – число последовательно включенных диодов; tвыкл – разность их времен выключения.

32