Неуправляемый вентиль и его характеристики

Вентиль — прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду. На рис. 3.4 показано условное обозначение вентиля, ВАХ идеального и реального диодов.

Для реальных диодов (кремниевых, германиевых и диодов Шопки) при одинаковых обратных напряжениях обратные токи существенно различаются.

Рис. 3.4. Вольт-алшерные характеристики идеального и реального вентилей.

Здесь процесс преобразования переменною тока в постоянный по направлению происходит с потерями энергии. Для расчетов реальную ВАХ заменяют линейно-ломаной, пренебрегая потерями от обратных токов, как это показано на рис. 3.5, а.

Рис. 3.5. Аппроксимация ВАХ реального вентиля (а) и его схема замещения (б)

На рис. 3.5 обозначено:

?/_д — начальное смещение ВАХ диода;

rj — дифференциальное сопротивление прямого участка ВАХ;

ИВ — идеальный вентиль.

Обычно начальное смещение ВАХ реальных диодов составляет С/д_si «0,8… 1,0 В; С/_дОе*0,5…0,6 В; С/_{дШагпа1}«0,2…0,3 В. При такой аппроксимации точность расчетов выпрямительных устройств вполне удовлетворительна в широком диапазоне токов и напряжении.

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется ряд требовании.

1. Вентиль должен обеспечивать среднее значение прямого тока /_прСр и максимальное значение прямого тока 1_{11р т}.

2. Иметь минимально возможные rj и U_a из-за потерь мощности в прямом направлении, что поясняется рис. 3.6 и выражением для расчета этих потерь:

Рис. 3.6. К расчету потерь вентиля в прямом направлении

• 3. Вентиль должен иметь малый обратный ток, поскольку это дополнительные потери.
• 4. Обладать достаточной электрической прочностью в обратном направлении и₀<�ф
• 5. При работе на емкость выдерживать ударный ток /[ф уд.
• 6. Иметь достаточное быстродействие — малое время восстановления обратного сопротивления.

Рассмотрим подробнее некоторые из этих требований.

Рис. 3.7. Выравнивание токов вентилей

Минимально возможные U_rV г а определяют КПД выпрямителя, что особенно важно в низковольтных схемах. Изготовители диодов, пытаясь уменьшить их массу и объем, перегружают кристаллы пелуповодников по току, плотность которого достигает j = 100…200 А/мм². 'Уго в 10. .20 раз превышает оптимальные значения! Поэтому коэффициент загрузки диода по среднему току должен быть не более 0,2…0,3. Снизить потери в прямом направлении и увеличить КПД можно параллельным включением нескольких диодов. Если диоды дискретные (корпусные), то токи необходимо выравшшать путем включения дополнительных резисторов с сопротивлением Ядоб > rj_t как показано на рис. 3.7.

^то невыгодно энергетически: хотя потери в диодах уменьшаются, но результирующие потери из-за Л_ДОб возрастают. Поэтому в некоторых случаях делают многообмоточный трансформатор (секционированный выпрямитель), как показано на рис. 3.8. Здесь все вторичные обмотки одинаковые. Роль выравнивающих резисторов играют омические сопротивления обмоток. Можно использовать многообмоточный дроссель (рис. 3.9).

Рис. 3.8. Сеющонированный выпрямитель.

Можно применять и то и другое. В цепях питания низковольтных нагрузок используют интегральные диоды — включенные параллельно несколько десятков />-/7-псрсходов (20… 100 штук), при этом выравнивающих резисторов не требуется, так как все переходы одинаковы, загружены током равномерно и коэффициент загрузки по току не превышает 10…20%, что приводит к снижению результирующих потерь.

Рис. 3.9. Многообмоточный дроссель

Электрическая прочность в обратном направлении t/обрдоп особенно важна в высоковольтных выпрямителях. При современных требованиях к частоте переключения время восстаноатешгя обратного сопротивления должно быть приблизительно /цосст = 50… 100 нс. Здесь подходят диады Шогтки.

Но при обратных напряжениях более 200. .300 В выбор диодов резко ограничивается. Диоды приходится включать последовательно и выравшшать обратные напряжения внешним делителем, как показано на рис. ЗЛО.

Рис. 3. К). Выравнивание обратных напряжений вненншм деятелем Ток делителя должен быть больше обратного тока диодов 1_Юб > /обрд> иначе не будет выравнивания напряжений. Это существенно увеличивает потери и уменьшает КПД. Можно использовать секционированные выпрямители и складывать напряжения на нагрузке, как показано на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Сею и копированный выпряло ггель с суммированием напряжения

Ударный ток. Дтя практического использования вентиля в выпрямителе, работающем на емкость, представляет интерес допустимая амплитуда серии из 2…4 импульсов тока, следующих с частотой питающей сети (рис. 3.12, а). Эта амплитуда называется ударным током (/пр.уд), характеризует стойкость диода к перегрузкам и может в 20…50 раз превышать максимальный ток диода, указанный в справочнике при активной нагрузке.

Отношение /_пр.уд^пр.ср называют коэффициентом перегрузки по току К,. Примерные значения K_t для наиболее распространенных диодов показаны на рис. 3.12, б. Например, диод шла КД219А имеет /пр._Ср⁼ Ю А,.

/пр.уд = 250 А, при /ц = 10 мс, (/обр= 15 В,/= 200 кГц.

Быстродействие. В источниках питания с высокочастотным преобразованием энергии используются импульсные или высокочастотные силовые диоды. Для них в справочниках приводится не граничная частота, а время восстановления обратного сопротивления диода. На рис. 3.13 показана форма тока диода при переключении.

Рис. 3.12. Перегрузочная способность даодов.

PllC. 3.13. ПсрСКЛЮЧСШЮ ВЫЛряМШСЛЫЮГО диода Под граничной частотой (/ф) понимается максимальная частота гармонического сигнала, выше которой заметно возрастают потери мощности за счет увеличения среднего значения обратного тока. Диод перестает выполнять свои функции, копта /обр. ц^ст = 772, поэтому.

Если принять порядок малости, равный 10, то для диода КД21 ЗА с параметрами /пр._ср = 10 A, UoQp = 200 В, /ц) = 100 кГц и временем восстановления /обр. восст = 0,3 мкс получим граничную частоту, близкую к справочной:

Мощность, рассеиваемая в диоде, складывается из трех составляющих: мощности потерь в прямом направлении, в обратном и на переключение.

где.

Тепло, выделяемое в кремниевой пластине диода (или другого палупроводшпеового прибора), передастся па корпус и далее в окружающую среду через радиатор. Упрощенная тепловая модель полупроводника показана на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Тепловая мотель полупроводника

На рисунке обозначено:

П — пластина (/>-/?-переход);

К — корпус;

Р — радиатор;

ОС — окружающая среда;

/птемпература пластины;

/ос — температура окружающей среды;

R — тепловое сопротивление соответствующего перехода с размерностью [градус/ватг]. Величины тепловых сопротивлений приводятся в справочниках. Они зависят от многих факторов, например, если материал пластины (подложки) сигал, поликор пли бериллиевая керамика, то.

Если материал корпуса алюминий, ковар пли пластмасса, то

Тепловое сопрогшэление родиатор-окружающая среда зависит от цвета радиатора, конструкции, поверхности, скорости обдува и лежит в пределах.

Таким образом, зная температуру окружающей среды, тепловые сопрогшления и мощность, рассеиваемую в диоде, находим температуру пластины.

Эта температура нс должна превышать максимально допустимую дтя данного материала (например, для кремния +140 °С).

Оценка тентового режима с помощью такой модели даст предстаатсние об установившемся тепловом режиме.