Неуправляемый вентиль и его характеристики

Вентиль — это прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду и не пропускающий его в обратном направлении. В настоящее время в качестве вентиля используются выпрямительные полупроводниковые диоды. Они способны пропускать ток до 2000 А и выдерживать обратное напряжение до 3000 В. В качестве подобных диодов можно назвать отечественные Д253-2000 ООО "Крон-ЭК" или китайские ZP1000-2800 фирмы LeKing. В обычных же схемах выпрямительных устройств используются диоды с более скромными параметрами, такие как 60CPQ150 или 1N5822. В качестве примера на рисунке 1 приведен чертеж корпуса полупроводникового выпрямительного диода Д253-2000 и его условно-графическое обозначение.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение полупроводникового диода (вентиля) и чертеж корпуса Д253-2000

В зависимости от максимального допустимого тока и обратного напряжения габариты диодов и их конструктивное исполнение значительно изменяются. Основное свойство вентиля проводить ток только в одном направлении обычно иллюстрируется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ идеального вентиля приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Вольтамперные характеристики идеального вентиля

Для существующих на рынке выпрямительных диодов (кремниевых, германиевых и диодов Шоттки) при одинаковых обратных напряжениях, обратные токи существенно различаются. На рисунке 3 приведены вольтамперные характеристики выпрямительных диодов, выполненных на различных p-n переходах.

Рисунок 3. Вольтамперные характеристики реальных диодов

При применении в выпрямителях реально выпускаемых промышленностью диодов, преобразование энергии переменного тока в постоянный, происходит не полностью. Потери возникают за счет падения напряжения на диоде. Для расчётов, реальную ВАХ заменяют кусочно-ломанной, пренебрегая потерями от обратных токов. Такой вид характеристики диодов позволяет производить расчеты выпрямителей с достаточной для практического применения точночтью. Пример преобразования реальной вольамперной характеристики в идеализированную приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Аппроксимация ВАХ выпрямительного диода

По вольамперной характеристике диода можно определить дифференциальное сопротивление прямого участка r_d. Оно определяется наклоном прямой, касательной к характеристике. Кроме того, диоды различаются точкой перегиба характеристики. Ее обычно обозначают U_д. Она различна для разных типов полупроводниковых диодов. Точка перегиба, которую еще называют начальным смещением диода для кремниевого диода составляет U_д = 0,8 ... 1 В, для диода Шоттки U_д = 0,2 ... 0,3 В, для еще встречающихся германиевых диодов U_д = 0,8 ... 0,6 В. По параметрам кусочно-ломаной характеристики диода можно получить его эквивалентную схему. Она показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Эквивалентная схема выпрямительного диода

На данном рисунке буквами ИВ обозначен идеальный вентиль, источник напряжения моделирует напряжение начального смещения, а резистор r_d — внутреннее сопротивление выпрямительного диода. К полупроводниковым диодам, работающим в схемах выпрямления предъявляется ряд требований:

должны выдерживать максимальное значение обратного напряжения U_{обр доп}
нормально работать при среднем значении прямого тока I_{пр ср}
выдерживать максимальный ток, возникающий при работе выпрямителя на сглаживающий фильтр, I_{пр max}
обладать минимально возможными r_d и U_д для уменьшения рассеиваемой энергии
иметь малый обратный ток, вызывающий дополнительные потери энергии
обладать малым временем восстановления обратного сопротивления

При выборе конкретного типа выпрямительного диода очень важно учитывать все его параметры. Одним из важнейших являются потери, возникающие на диоде. Они обусловлены внутренним омическим сопротивлением диода r_d и постоянным прямым начальным смещением диода U_д. Мощность энергии, рассеиваемая на выпрямительном диоде определяется следующим образом:

(1)

Все напряжения и токи, использующиеся в данной формуле, поясняются на рисунке 6.

Рисунок 6. Напряжение, падающее на диоде при протекании по нему тока I₀

Несмотря на то, что в настоящее время можно подобрать выпрямительные диоды практически под любые задачи, в ряде случаев, например, из конструктивных соображений, требуется увеличивать ток при помощи параллельного соединения диодов. При параллельном соединении для выравнивания токов, протекающих через диоды последовательно с ними приходится включать резисторы, которые выравнивают ток, протекающий через каждый из диодов. Подобная схема, позволяющая увеличить предельный ток выпрямительных диодов, приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Выравнивание токов выпрямительных диодов при помощи резисторов

В этой схеме на выравнивающих резисторах возникают дополнительные потери энергии, поэтому более эффективным решением является применение нескольких одинаковых обмоток в трансформаторе выпрямителя. Такое решение называется секционированным выпрямителем и позволяет не только снизить требования к выпрямительному диоду, но и выполнять обмотки трансформатора проводом с меньшим сечением. Схема секционированного выпрямителя приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема секционированного выпрямителя напряжения

Еще одним важным параметром выпрямительного диода является максимальное значение обратного напряжения. Современные источники питания обычно выполняются в виде высокочастотных преобразователей AC-DC. В этих преобразователях могут быть применены только высокочастотные диоды, такие как диоды Шоттки. Однако диоды Шоттки редко обладают большими значениями обратного допустимого напряжения. Это приводит к необходимости в высоковольтных AC-DC преобразователях включать несколько диодов последовательно друг за другом. Однако каждый диод обладает разным значением обратного тока (что соответствует сопротивлению закрытого диода). Это приводит к неравномерному распределению напряжения между диодами и может привести сначала к пробою одного из них, а затем и всех остальных. Для выравнивания напряжений между диодами применяют выравнивание напряжений при помощи резистивного делителя, как показано на схеме, приведенной на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема увеличения максимально допустимого обратного напряжения на диодах

Ток, протекающий через резисторы R_доб в данной схеме должен быть больше обратного тока диодов I_доб > I_обр диода, иначе не будет выравнивания напряжений. Естественно, применение шунтирующих резисторов увеличивает обратный ток вентиля, но выгода от повышения допустимого обратного напряжения перевешивает этот недостаток.

Вместе со статьей "Неуправляемый вентиль и его характеристики" читают: