Два диода последовательно напряжение

Зачем соединяют диоды последовательно?

Зачем соединяют диоды последовательно ? Последовательное соединение диодов можно рассматривать как один диод, у которого увеличивается такой важный параметр, как обратное напряжение диода Uобр. И увеличивается он пропорционально количеству соединённых диодов. Такое включение можно увидеть на рисунке 1.

Если каждый из диодов имеет максимальное обратное напряжение 100 В, то для всего соединения этот параметр возрастает троекратно и равняется 300 В. Постоянный прямой ток при этом не меняется. Если каждый из диодов имеет ток в 500 мА, то полученный в результате диод будет иметь прямой ток 0.5 А и максимальное обратное напряжение 300 В.

Соединение диодов последовательно используется довольно часто. К примеру, диоды с Uобр=1000 В довольно распространены и достаточно дёшевы. Но если понадобится большее напряжение, то поиски покажут, что диоды на такие напряжения достаточно дороги. Т.е. получается так, что выгоднее соединить несколько дешёвых диодов последовательно, чем ставить один дорогой.

Шунтирование диодов

Характеристики любых, даже однотипных диодов всегда будут несколько отличаться. При последовательном соединении диодов этот факт необходимо обязательно учитывать. Каждый диод в обязательном порядке имеет некое внутреннее сопротивление, которое очень сильно отличается для проводящего и непроводящего состояния. К примеру, падение напряжения на внутреннем сопротивлении диода при его прямом смещении составляет всего около 0.3 В. Но при соединении диодов последовательно важную роль играет не прямое, а обратное сопротивление. При этом обратное напряжение распределяется по диодам неравномерно. Оно будет максимально на том диоде, у которого окажется максимальное обратное сопротивление. Это может привести к пробою диода с большой вероятностью. Чтобы избежать такой аварийной ситуации проводят шунтирование диодов. Каждый из последовательно соединённых диодов шунтируется своим резистором. Резисторы ставят высокоомные и маломощные. Пример такого соединения диодов показан на рис. 2.

Как правило, такие резисторы имеют сопротивление в районе 510 КОм. Это шунтирование обеспечивает выравнивание напряжения на соединённых диодах.

Источник

Последовательное и параллельное соединение выпрямительных диодов

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типана отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с Uобр max = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов Rо6р1, = Rобр2 = 1 МОм и Rо6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится Uо6р1, = Uобр2 = 200 В и Uо6р3, = 600 В.

На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее Rобр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 – Последовательное соединение диодов

Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем Rш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм.

Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Читайте также:  Регулятор напряжения ленд крузер 200

Для примера на рисунке 2.25, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых Iпр max = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.25 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.25, б) – сцелью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора Rу = 0,1 : 0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rу.

Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на Ry, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Выпрямители. Часть 1. Силовые элементы.

Сегодняшний мой пост о выпрямителях. Что это такое и с чем их едят? Ну во-первых начнём с того что большинство электронных устройств потребляет для своей работы электрическую энергию постоянного тока. Источниками постоянного тока могут быть различные гальванические элементы (батарейки), аккумуляторы, термоэлектрогенераторы, электромашины постоянного тока и выпрямители. Наиболее распространённым источником постоянного тока является выпрямитель – устройство, преобразующее переменный ток в постоянный ток.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как правило, выпрямители состоят из силовых элементов (чаще всего диодов), трансформатора (для преобразования переменного напряжения и электрической изоляции между входными и выходными цепями выпрямителя) и сглаживающего фильтра (уменьшает пульсации напряжения на нагрузке). В зависимости от числа фаз системы электроснабжения различают однофазные и трёхфазные выпрямители.

В качестве силовых элементов выпрямителей используются германиевые и кремневые диоды. Кремниевые диоды практически полностью вытеснили германиевые. Единственный недостаток кремниевых диодов по сравнению с германиевыми – высокое прямое падение напряжение порядка 0,6…0,8 В вместо 0,1…0,3 В.

Общие недостатки большинства мощных выпрямительных диодов – длительный процесс рассасывания неосновных носителей заряда и большое время восстановления обратного сопротивления. Это становится особенно заметным при выпрямлении напряжения прямоугольной формы с частотой переменного тока выше 1 кГц и проявляется в уменьшении среднего значения выпрямленного напряжения, увеличении пульсаций, снижении КПД выпрямителя.

В настоящее время всё более широкое распространение получают диоды Шотки (диоды на основе контакта между металлом и полупроводником). У этих диодов отсутствуют явления накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, что позволяет им работать на частотах в сотни килогерц. Кроме того, прямое падение напряжения у них примерно в два раза меньше, чем у обычных кремниевых диодов.

Последовательное и параллельное соединения диодов.

Если для выпрямительной схемы нельзя выбрать нужный тип диода в соответствии с заданным значением обратного напряжения или прямого тока, то используют два или более однотипных диодов с меньшими значениями параметров, включая эти диоды последовательно или параллельно.

Параллельное соединение диодов



Параллельное соединение диодов

При параллельном соединении диодов из-за возможного разброса параметров их токи будут неодинаковыми. Один из этих токов может превысить максимально допустимое значение, что приведёт к выходу из строя сначала одного, а затем и другого диода. Более равномерное распределения тока между параллельно соединёнными диодами достигается включением последовательно с каждым из них одинаковых по номиналу резисторов Rд. Сопротивление резисторов Rд должно быть в 5…10 раз больше, чем сопротивление диода в прямом направлении. В мощных выпрямительных устройствах для этой же цели используются индуктивные выравниватели токов.

Расчёт параллельного соединения диодов

Для начала расчёта необходимо определить требуемое количество параллельно соединённых диодов, исходя из того, что ток, проходящий через один диод не должен превышать значения максимально допустимого значения тока для данного типа диода, тогда количество параллельно соединённых диодов будет равно

Читайте также:  Карта напряжений xbox 360

, где Im — максимальное значение тока проходящее через диоды,
kT – коэффициент нагрузки по току (может принимать значения от 0,5 до 0,8),
Inp — средний прямой ток для данного типа диода.

При дробных значениях расчётного количества диодов округление ведётся в большую сторону.

Значение сопротивления добавочных резисторов определяется по формуле

, где n — количество выпрямительных диодов,
Unp.cp — постоянное прямое напряжение для данного типа диодов

Расчитаное сопротивление добавочных резисторов округляют до ближайшего стандартного сопротивления.

Пример расчёта параллельного соединения диодов

Рассчитать выпрямительную цепь, позволяющую получить выпрямленный ток Iвыпр = 550 мА, если используются диоды Д226Б.

Так как средний прямой ток диода Д226Б Iпр. ср = 300 мА, то необходимо применить несколько параллельно соединённых диодов с добавочными резисторами. Рассчитаем количество параллельно соединённых диодов, примем kT = 0,8

Найдём значение сопротивлений добавочных резисторов

Выберем резистор из стандартного ряда сопротивлений Е24 (± 5%) Rдоб = 6,2 Ом

Последовательное соединение диодов



Последовательное соединение диодов

Для обеспечения возможности работы выбранного типа диода в схеме выпрямителя с обратным напряжением, превышающим его максимально допустимое значение, следует соединять однотипные диоды последовательно. Если параметры не совпадают, то один из диодов оказывается под значительно большим напряжением, чем другой. Это может привести к пробою одного, а затем и другого диода. Выравнивание обратного напряжения на последовательно соединенных диодах достигается шунтированием каждого из диодов резистором Rш. Ток, протекающий через эти резисторы, должен быть в 5…10 раз больше максимально возможного обратного тока диодов. В мощных высоковольтных выпрямительных устройствах для этой же цели диоды шунтируют конденсаторами Сш или RC-цепью.

Расчёт последовательного соединения диодов

Для начала расчёта необходимо определить количество последовательно соединенных диодов, исходя из того что падение напряжения на каждом отдельно взятом диоде не должно превышать амплитудного значения напряжения, тогда количество последовательно включённых диодов будет равно

, где

Um — амплитудное значение напряжения проходящее через диод,
kH – коэффициент нагрузки по напряжению (может принимать значения от 0,5 до 0,8),
Uobp max — максимально допустимое обратное напряжение диода.

При дробных значениях расчётного количества диодов округление ведётся в большую сторону.

Значение сопротивлений шунтирующих резисторов определяется по формуле

, где

Iобp max — максимально допустимый обратный ток диода при максимальной температуре.

Пример расчёта последовательного соединения диодов

Рассчитать выпрямительную цепь для напряжения с амплитудным значением 700В, используя диоды Д226Б.

Так как максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр.max = 300В, то для выпрямления необходимо применить цепочку из последовательно соединённых диодов с шунтирующими резисторами. Рассчитаем количество последовательных диодов, примем kH = 0,7

Найдём значение сопротивлений шунтирующих резисторов

Выберем резистор из стандартного ряда сопротивлений Е24 (± 5%) Rш = 1 MОм

Включение дополнительных и шунтирующих резисторов неизбежно связано с увеличением потерь мощности и уменьшением КПД выпрямительной схемы.

Основные схемы выпрямления и их сравнительная характеристика.

Радиолюбительская и бытовая радиоэлектронная аппаратура питается только от однофазной сети переменного тока. Поэтому ниже рассматриваются однофазные схемы выпрямления.

Основные схемы выпрямления однофазного напряжения: однополупериодная, двухполупериодная со средней точкой, двухполупериодная мостовая, схема умножения напряжения. В практике применяются и сложные схемы выпрямления, образованные из двух или более простых схем путём их комбинирования. Комбинированные схемы выпрямления целесообразно применять только при постоянной нагрузке по всем выходным цепям; в противном случае будет наблюдаться взаимное влияние выходных каналов источника питания.

Однополупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления может работать как без входного трансформатора, так и с трансформатором. Ток через диод VD протекает только тогда, когда полярность соответствующего полупериода напряжения сети будет способствовать открыванию диода. Ток диода в любой момент времени одновременно является током вторичной обмотки трансформатора и током нагрузки. При активной нагрузке он имеет форму однополярных импульсов с длительностью, равной половине периода сети. В течении другого полупериода питающего напряжения Uc диод VD находится в закрытом состоянии. При проектировании трансформатора для однополупериодных схем выпрямления следует учитывать подмагничивание магнитопровода, поэтому габаритную расчётную мощность трансформатора следует увеличить до значения Рг = (3,36…3,5) Ро.


Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Достоинство схемы – простота, минимальное количество вентилей.

Недостатки однополупериодной схемы выпрямления – большое значение пульсаций выпрямленного напряжения и низкая частота пульсаций, равная частоте сети; плохое использование трансформатора; высокое обратное напряжение на диоде (3,14 раз больше выпрямленного напряжения); большой импульс тока через диод.

Однополупериодная схема выпрямления применяется при малой выходной мощности (1…3 Вт) и низких требованиях к пульсациям выпрямленного напряжения. Чаще всего подобная схема выпрямления используется в сочетании с однотактным преобразователем напряжения и емкостным фильтром для преобразования низковольтного напряжения питания постоянного тока в высоковольтное.

Читайте также:  Как отследить скачки напряжения в сети

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой представляет собой сочетание двух параллельно включённых однополупериодных схем, работающих поочерёдно на одно общее сопротивление нагрузки. Схема может работать от сети переменного тока только при наличии входного трансформатора, имеющего во вторичной обмотке отвод от средней точки. Подводимое к первичной обмотке напряжение Uc трансформируется во вторичные таким образом, что одно из них (например, U’в) является открывающим для диода VD1, а другое (U’’в) – закрывающим для диода VD2. Через диод VD1 и сопротивление нагрузки Rн в течении половины периода напряжения сети протекает импульс тока, аналогичный импульсу однополупериодной схемы выпрямления. В следующий полупериод полярность напряжения на полуобмотках меняется на обратную, диод VD1 закрывается, а VD2 открывается. В этом случае импульс тока будет протекать через диод VD2 и сопротивление нагрузки Rн, то есть ток через нагрузку протекает в течении каждого полупериода в одном направлении.


Однофазная двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Поскольку токи во вторичных полуобмотках трансформатора протекают поочерёдно в противоположных направлениях, подмагничивание магнитопровода осутствует.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой имеет ряд преимуществ перед однополупериодной: при одинаковой выходной мощности меньше габариты и масса трансформатора (из-за отсутствия подмагничивания); вдвое меньше амплитуда тока через выпрямительные диоды; вдвое выше частота пульсаций выпрямленного напряжения. По сравнению с мостовой в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой меньше число диодов в плече и соответственно больше КПД. Оба диода могут быть установлены на общем радиаторе без электроизоляции.

Недостатки схемы – наличие на входе трансформатора; худшее по сравнению с другими двухполупериодными схемами выпрямления использование обмоток трансформатора (ток через каждую полуобмотку протекает только в течении половины периода); высокое обратное напряжение на диодах; возможность появления на выходе схемы пульсаций с частотой сети из-за несимметрии плеч.

Схема универсальна в применении, однако из-за большого обратного напряжения на диодах для выпрямления высоковольтного напряжения применяется редко.

Мостовая схема выпрямителя

Однофазная мостовая двухполупериодная схема выпрямления представляет собой выпрямитель, выполненный на четырёх диодах, включённых по мостовой схеме. В одну диагональ моста включена вторичная обмотка трансформатора, а в другую диагональ – сопротивление нагрузки. Напряжение электросети может быть подключено к мостовому выпрямителю непосредственно.


мостовая двухполупериодная схема выпрямления

В течении одного из полупериодов напряжение сети ток нагрузки протекает через два последовательно соединённых диода, например VD1 и VD4, в течении следующего полупериода через два других диода (VD2 и VD3). При наличии трансформатора ток через вторичную обмотку протекает в течении каждого полупериода, но в противоположных направлениях, поэтому подмагничивание магнитопровода исключается.

Преимущества мостовой схемы выпрямления перед схемой со средней точкой – меньшая габаритная мощность трансформатора; вдвое меньшее обратное напряжение на закрытом диоде; схема может работать без входного трансформатора; при наличии отвода от части вторичной обмотки возможно получение двух выходных напряжений.

Недостатки схемы – большое число диодов, что снижает её КПД; невозможность установки всех четырёх диодов на общем радиаторе без электроизоляции.

Мостовая схема выпрямления универсальна в применении. Однако для выпрямления сравнительно низких напряжений она применяется редко, так как при выходных напряжениях, соизмеримых с падением напряжения на диодах, КПД выпрямителя резко снижается.

Сравнительная характеристика параметров выпрямительных схем

Сравнительная характеристика параметров выпрямительных схем представлена в таблице, которая содержит некоторые сведения о параметрах токов и напряжений в выпрямительных схемах. В таблице в качестве базового напряжения считается постоянное напряжение U0 на выходе выпрямителя

Определяемая величина и ее обозначение Однополупериодная схема выпрямления Двухполупериодная схема со средней точкой Мостовая схема выпрямления
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, U0 1 1 1
Действующее значение напряжения на фазе вторичной обмотки трансформатора, UB 2,22 U0 1,11 U0 1,11 U0
Наибольшее (амплитудное) значение обратного напряжения, приложенное к одному диоду, Uобр 3,14 U0 3,14 U0 1,57 U0
Амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения, Uп max 1,57 U0 0,67 U0 0,67 U0
Ток нагрузки, I0 1 1 1
Действующее значение тока через один диод, IВ 1,57 I0 0,785 I0 0,785 I0
Наибольшее (амплитудное) значение тока через один диод, Imax 3,14 I0 1,57 I0 1,57 I0

Пример расчёта параметров выпрямителя

Имеется силовой трансформатор, на вторичной обмотке которого действующее напряжений UB = 10 В. Требуется определить напряжение на выходе мостового выпрямителя и значение обратного напряжения, которое приложено к одному диоду схемы выпрямления.

Определим напряжение на выходе выпрямительного моста

Амплитудное значение обратного напряжения приложенное к одному диоду

Параметры токов и напряжений, которые обозначены в таблице соответствуют выпрямительным схемам без фильтров на выходе. Значение токов и напряжений с применением различных фильтров на выходе выпрямителя будут обозначены в статье про сглаживающие фильтры.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Оцените статью
Adblock
detector