Выбор диодов для выпрямителя

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
— Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

— А для чего нам ещё "нахрен не упал" профессиональный электрик?
— Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
— А электрик?
— Электрик, электрик. Что электрик. «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался. »

Итак, приступим.
Выпрямитель — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор,
необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора — штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
Uдейств = Uампл/√ 2 и Iдейств = Iампл/√ 2 .
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают — не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.


Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом — напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным — с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке Iобм = 2×Iнагр и напряжение холостого хода

U2 ≈ 0,75×Uн .
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
Uобр > 3,14×Uн и Iмакс > 3,14×Iн .

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.


Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде — с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме — нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке Iобм = Iнагр и напряжение холостого хода

U2 ≈ 0,75×Uн .
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
Uобр > 3,14×Uн и Iмакс > 1,57×Iн .

И наконец, классика жанра —
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.


Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного — через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное — более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную Iобм = 1,41×Iнагр и напряжение холостого хода

U2 ≈ 0,75×Uн .
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
Uобр > 1,57×Uн и Iмакс > 1,57×Iн .

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений Uобр и Iмакс по отношению к однополярной схеме.

Значения Uобр и Iмакс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах — это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×Iн/(Uн×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×Iн/(Uн×Кп) — для двухполупериодных,
где Кп — это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой "чистоты":
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» — авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

Выбор схемы выпрямителя&nbsp Переменное входное напряжение U2 (В) Максимальный ток нагрузки Iн (А) Пульсации выходного напряжения (%) Выходное напряжение Uн на холостом ходу (В) Выходное напряжение Uн при максимальном токе (В) Параметр диодов — максимальный прямой ток (А) Параметр диодов — максимальное обратное напряжение (В) Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

При выборе полупроводниковых диодов для выпрямителя следует помнить, что основными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток Iдоп (Iпр мах), на который рассчитан данный диод, и обратное напряжение Uобр (Uобр мах), выдерживаемое диодом без пробоя в непроводящий период. Выбор диодов для выпрямителей осуществляется по величине тока Iд, протекающего через диод, и максимальному напряжению Uд, которое оказывается приложенным к диоду в непроводящий период. При этом для исключения повреждений диодов должны выполняться следующие условия:

IдопIд и UобрUд.

Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значением мощности потребителя (нагрузки) Рн, Вт, получающего питание от данного выпрямителя, и выпрямленным напряжением (напряжением на нагрузке) Uн, В, при котором работает потребитель постоянного тока. Отсюда нетрудно определить ток потребителя (нагрузки):

Вычисленное значение тока берется за основу при выборе диода по току, сравнивая ток протекающий через диод Iд с допустимым током диода Iдоп, выбирают диоды для схем выпрямителя. Следует учесть, что для различных схем выпрямителей ток, протекающий через диод (Iд)иток протекающий через потребитель (нагрузку) (Iн) связаны соотношениями:

однофазный однополупериодный выпрямительIд=Iн
однофазный двухполупериодный и однофазный мостовой выпрямителиIд=Iн/2
трехфазный однополупериодный и трехфазный мостовой выпрямителиIд=Iн/3

Очевидно, что при выборе диода, для всех выпрямителей должно соблюдаться условие: IдопIд.

Напряжение, действующее на диод в непроводящий период Uд, также зависит от схемы выпрямления, которая применяется в конкретном случае. Для различных схем выпрямителей для напряжение, действующее на диод в непроводящий период (Uд)и выпрямленное напряжение (напряжение на нагрузке) (Uн)связаны соотношениями:

однофазный однополупериодный и однофазный двухполупериодный выпрямителиUд=π•Uн=3,14Uн
однофазный мостовой выпрямительUд=1,57•Uн
трехфазный однополупериодный выпрямительUд =2,1•Uн
трехфазный мостовой выпрямительUд =1,05•Uн

Очевидно, что при выборе диода, для всех выпрямителей должно соблюдаться условие: Uобр>Uд.

Приведенные выше соотношения следует использовать при подборе диодов для выпрямителей по току и напряжению.

В результате расчета может оказаться, что ток через диод превышает допустимое значение тока для данного типа диода. В этом случае для увеличения допустимого значения тока применяется параллельное соединение диодов, их суммарный допустимый ток (Iдоп) увеличивается во столько раз, сколько диодов параллельно соединяют.

Если в непроводящий период напряжение на диоде превышает допустимое обратное напряжение, то для увеличения допустимого обратного напряжения применяется последовательное соединение диодов, их суммарное допустимое напряжение (Uобр) увеличивается во столько раз, сколько диодов последовательно соединяют.

При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых: принципиальной схемой выпрямителя, частотой и величиной входного переменного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметрами применяемого трансформатора и т.д.

В первую очередь необходимо рассчитать значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа, а также оценить среднее значение протекающего через них прямого тока (это можно сделать по приближенным формулам, приводимым в таб. 3.4-1). Полученные таким образом значения необходимо откорректировать в зависимости от характера нагрузки.

Таб. 3.4-1. Режимы работы диодов в различных выпрямителях

При наличии активно-емкостной нагрузки (а это чаще всего именно так) амплитудное и действующее значения тока силовых диодов могут существенно превышать его расчетное среднее значение. Так, например, при допустимом уровне пульсаций на выходе порядка 0,1% в однофазном мостовом выпрямителе с емкостным фильтром амплитудное значение тока выпрямительных диодов может достигать ( <15>cdot I_<пр ср max>) . В целях исключения перегрузки диодов по величине действующего и амплитудного значений токов и их перегрева, необходимо ужесточить требования к максимальному прямому среднему току ((I_<пр ср max>)) применяемых диодов. Практически, для однополупериодного выпрямителя используется коэффициент 2,2, а для двухполупериодного 1,1 (т.е. используемые диоды должны иметь значение (I_<пр ср max>) как минимум в 1,1 раза большее, чем это следует из значений, полученных по формулам из таб. 3.4-1).

Величина максимально допустимого повторяющегося обратного напряжения ((U_<обр и п max>)) используемых диодов также подвержена влиянию нагрузки (характер этого влияния может быть вычислен по формулам, приводимым далее). Во избежание ее превышения в начальный момент времени после включения выпрямителя и во время его работы (в т.ч. и на холостом ходу), силовые диоды должны выбираться с некоторым запасом и по этому параметру.

Опираясь на найденные значения (I_<пр ср max>) и (U_<обр и п max>) (не забывая также о предполагаемой частоте входного переменного напряжения), по таблицам справочных данных производят предварительный выбор силовых диодов. Немаловажное значение для характеристик выпрямителя имеет тип выбранных выпрямительных диодов. Напомним, что в качестве выпрямительных могут использоваться кремниевые, германиевые или арсенид-галлиевые диоды с (p)‑(n)‑переходом (в т.ч. лавинные диоды), а также кремниевые или арсенид-галлиевые диоды с переходом Шоттки.

Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10..20 лет назад. В настоящее время они практически полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и арсенид-галиевыми приборами. И только в некоторых довольно редких случаях немногие положительные свойства германиевых диодов могут обусловить их применение в выпрямителях. Основными свойствами германиевых диодов с (p)-(n)-переходом являются:

  • низкое прямое падение напряжения (на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе падение напряжения приблизительно в два раза меньше, чем на аналогичном кремниевом диоде), что является существенным, но, к сожалению, единственным преимуществом перед кремниевыми выпрямительными диодами;
  • существование явно выраженного тока насыщения при обратном включении диода;
  • значительно большая величина обратного тока по сравнению с аналогичными кремниевыми диодами;
  • пробивное напряжение уменьшается с ростом температуры (большие обратные токи германиевых диодов являются причиной теплового характера их пробоя), а значение этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.
  • верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет приблизительно 75 °C, что значительно ниже по сравнению с тем же параметром кремниевых диодов.

Существенным недостатком германиевых диодов является то, что они плохо выдерживают даже кратковременные импульсные перегрузки по обратному напряжению. Определяется это механизмом пробоя германиевых диодов — тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.

Кремниевые выпрямительные диоды с (p)-(n)-переходом — это наиболее распространенный в настоящее время вид диодов, применяемых во всех классах выпрямителей (однако они постепенно вытесняются более эффективными диодами с переходом Шоттки). Их основные свойства:

  • максимально допустимые прямые токи кремниевых диодов различных типов составляют 0,1. 1600 А, падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно 1,5 В;
  • с увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается;
  • обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет ярко выраженного участка насыщения;
  • пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается (для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре пробивное напряжение может составлять 1500. 2000 В);
  • диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничен значениями –60. +125 °C.

Лавинный характер пробоя кремниевых диодов позволил создать такие приборы, которые безболезненно переносят многократные перегрузки по обратному напряжению — лавинные диоды. Если условия эксплуатации разрабатываемого выпрямителя очень тяжелы с точки зрения стабильности питающего напряжения или тока нагрузки (что возможно при коммутации различных емкостей и индуктивностей в цепях нагрузки), то применение лавинных диодов становится практически неизбежным. Они обеспечивают гашение кратковременных импульсов высокого напряжения, проникающих в выпрямитель из внешних цепей. Альтернативой использованию лавинных диодов может быть добавление в выпрямитель стабилитрона или ограничителя напряжения (см. раздел “Диоды в ограничителях напряжения”).

Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. С этой точки зрения, относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с (p)-(n)-переходом из арсенида галлия являются очень перспективными приборами. Параметры выпускаемых арсенид-галлиевых выпрямительных диодов пока еще далеки от теоретически возможных (например, для диодов типа АД112 максимально допустимый прямой ток равен всего 300 мА, а максимально допустимое обратное напряжение — 50 В), поэтому очевидно, что новые приборы такого типа будут значительно превосходить своих предшественников.

К основным свойствам арсенид-галлиевых приборов следует отнести:

  • значительный диапазон рабочих температур (до 250 °C);
  • лучшие частотные свойства (арсенид-галлиевые диоды могут работать в качестве выпрямителей малой мощности до частоты 1 МГц и выше);
  • повышенное (более 3 В) падение напряжения при прямом смещении.

Выпрямительные диоды с барьером Шоттки — наиболее перспективный вид полупроводниковых выпрямительных диодов. Они могут изготавливаться из кремния или арсенида галлия. Очевидно, что по мере совершенствования и удешевления технологии изготовления диоды с барьером Шоттки будут все более вытеснять выпрямительные диоды с (p)-(n)-переходом. Основными свойствами выпрямительных диодов Шоттки являются:

  • малое падение напряжения при прямом смещении (около 0,6 В);
  • большая максимально допустимая плотность тока, что связано как с меньшим падением напряжения на диоде, так и с особенностями его конструкции, обуславливающими хороший отвод тепла от выпрямляющего перехода;
  • способность выдерживать значительные перегрузки по току по сравнению с аналогичными диодами с (p)-(n)-переходом;
  • кремниевые и особенно арсенид-галлиевые диоды Шоттки имеют пока относительно маленькие значения пробивных напряжений (20. 70 В), но по мере совершенствования технологии их изготовления этот недостаток постепенно устраняется.
Оцените статью
Добавить комментарий