Выпрямительные диоды: Параметры выпрямительных диодов

Выпрямительные диоды характеризуются статическими (\(U_{пр}\), \(I_{пр}\)), динамическими (\(I_{пр ср}\), \(U_{пр ср}\), \(I_{обр ср}\), \(U_{обр ср}\), \(f_р\), \(R_д\), \(C_д\)) и предельно допустимыми параметрами (\(I_{пр ср max}\), \(P_{д max}\), \(U_{обр max}\), \(U_{обр и max}\), \(T_{п max}\), \(I_{и max}\)). Для выпрямительных диодов большое значение имеет характер нагрузки (активная, емкостная или индуктивная), влияющий на форму и значение протекающего тока, т.е. определяющий режим работы диода.

Обратное напряжение (\(U_{обр max}\), \(U_{обр и п max}\), \(U_{обр и нп max}\)). Величина \(U_{обр max}\) соответствует максимально допустимому постоянному обратному напряжению, при котором диод может эксплуатироваться в течение всего срока службы. \(U_{обр и п max}\) — максимально допустимое импульсное повторяющееся напряжение. При непрерывно приложенном переменном импульсном напряжении \(U_{обр и п max}\) гарантируется долговременная работоспособность диода, например, в выпрямителе. Значение неповторяющегося импульсного обратного напряжения (\(U_{обр и нп max}\)) определяет перегрузочную способность диода по напряжению. Неповторяющееся переходное напряжение обусловливается обычно внешней причиной, и предполагается, что его действие исчезает полностью до появления следующего переходного напряжения. В документации на некоторые типы выпрямительных диодов установлено только одно из перечисленных допустимых значений напряжений: \(U_{обр и п max}\) либо \(U_{обр max}\). При этом следует иметь в виду, что при установлении нормы только на \(U_{обр max}\) допускается работа диода и при \(U_{обр и п max}\), равном \(U_{обр max}\), а при установлении нормы только на \(U_{обр и п max}\) постоянное рабочее напряжение следует снижать на 30...40% по сравнению с \(U_{обр и п max}\), например, при работе диода в резервируемых источниках питания постоянного тока. Каждое из перечисленных значений напряжения устанавливается, как правило, для всего диапазона рабочих температур.

Прямой ток (\(I_{пр max}\), \(I_{пр ср max}\)). Для прямого тока, в зависимости от условий эксплуатации диодов, также может нормироваться несколько его значений. Максимально допустимый прямой постоянный ток (\(I_{пр max}\)) в основном приводится для диодов малой мощности. Обычно наряду с \(I_{пр max}\) или вместо него указывается максимально допустимый средний ток (\(I_{пр ср max}\)), который важен при применении диодов в выпрямителях. Следует иметь в виду, что приводимые в технической документации средние значения токов выпрямительных диодов соответствуют их работе на активную нагрузку, при угле проводимости тока \(\beta = {180^{\circ}}\). Значение этого тока гарантируется на основании проводимых на предприятиях-изготовителях испытаний в течение заданного времени в указанном режиме. В этом случае максимальное амплитудное значение тока составляет \(3,14 \cdot I_{пр ср max}\), а его действующее значение — \(1,57 \cdot I_{пр ср max}\).

При работе диодов в выпрямителях на активно-емкостную нагрузку амплитудное и действующее значения тока могут значительно превышать их нормированное значение при активной нагрузке, поскольку угол проводимости в этом случае может уменьшаться (рис. 2.3‑2). Так, например, при допустимом коэффициенте пульсаций на выходе выпрямителя 0,1% максимальное амплитудное значение тока выпрямительных диодов (\(I_{пр и п}\)) может достигать \(15 \cdot I_{пр ср max}\), а действующее значение — \(3,5 \cdot I_{пр ср max}\), хотя среднее его значение будет оставаться равным \(I_{пр ср max}\). Поэтому при разработке радиоэлектронной аппаратуры в целях исключения перегрузки диодов по величине действующего и амплитудного значений токов и их перегрева при работе на активно-емкостную нагрузку значение среднего тока через каждый диод следует снижать не менее чем в 2,2 раза по сравнению с заданным в технической документации значением \(I_{пр ср max}\) диода. Практически, для однополупериодного выпрямителя и выпрямителя с удвоением напряжения каждый диод необходимо выбирать на ток \(I_{пр ср max} \ge {2,2} \cdot I_{н max}\), а для двухполупериодного выпрямителя, соответственно, на \(I_{пр ср max} \ge {1,1} \cdot I_{н max}\), где \(I_{н max}\) — максимальное значение тока нагрузки выпрямителя.

Рис. 2.3-2. Диаграммы напряжений и токов однофазного двухполупериодного выпрямителя при активно-емкостной нагрузке

Допустимая величина среднего прямого тока зависит также от температуры корпуса или окружающей среды и частоты повторения импульсов. В качестве примера на рис. 2.3‑3 показана зависимость от температуры, а на рис. 2.3‑8 — от частоты.

Рис. 2.3-3. Зависимость прямого среднего тока выпрямительных диодов от темперетуры

Ток перегрузки и ударный ток (\(I_{прг max}\), \(I_{пр уд max}\)). При разработке выпрямителей следует учитывать ток перегрузки диодов. Существующие диоды нормируются следующими параметрами по току перегрузки: \(I_{прг max}\) — максимально допустимый ток перегрузки и \(I_{пр уд max}\) — ударный ток. Ток перегрузки важен для начального включения диодов выпрямителя на емкостную нагрузку, когда емкость фильтра выпрямителя не заряжена (рис. 2.3‑4).

Рис. 2.3-4. Ток перегрузки диодов в момент включения выпрямителя на активную емкостную нагрузку

Максимальный ток перегрузки примерно может быть рассчитан по формуле: \(\newcommand{\slfrac}[2]{\left.#1\right/#2}I_{прг max} \approx {1,41} \cdot \slfrac{U_{тр}}{ \left( R_{1 тр} \cdot n + R_{2 тр} + r_{дин} \right)} \), где \(U_{тр}\) — напряжение вторичной обмотки трансформатора, \(R_{1 тр}\) — сопротивление первичной обмотки трансформатора, \(R_{2 тр}\) — сопротивление вторичной обмотки трансформатора, \(n\) — коэффициент трансформации (для понижающего трансформатора он меньше единицы), \(r_{дин}\) — динамическое сопротивление диода.

Максимально допустимый ударный ток в основном указывается для силовых диодов как значение тока короткого (аварийного) замыкания нагрузки и служит для выбора устройств защиты диодов, например, с помощью плавких предохранителей. При этом оценка защищенности диодов определяется защитным показателем \( \huge{\int} \normalsize {{I^2}_{пр уд max} \operatorname{d}t} \). Во всех случаях показатель защищенности диода должен быть больше аналогичного показателя устройства защиты. Обычно воздействие тока \(I_{пр уд max}\) допускается лишь ограниченное число раз, в отличие от \(I_{прг max}\), число импульсов перегрузки которого не нормируется. Допустимые значения \(I_{прг max}\) и \(I_{пр уд max}\) зависят от длительности импульса перегрузки (\(t_{прг}\)) и температуры (рис. 2.3‑5, 2.3‑6, 2.3‑7).

Рис. 2.3-5. Зависимость допустимой амплитуды тока перегрузки от температуры корпуса

Рис. 2.3-6. Зависимость допустимой амплитуды тока перегрузки от длительности импульса

Рис. 2.3-7. Зависимость допустимой амплитуды ударного тока от длительности импульса при различной температуре перехода

Граничная рабочая частота (\(f_р\)). При повышении частоты приложенного напряжения выше граничного для конкретного диода значения \(f_р\), которое носит название граничной рабочей частоты, выпрямляющие свойства диода ухудшаются, значение выпрямленного тока уменьшается (падает эквивалентное сопротивление \(p\)-\(n\)-перехода), потери в диоде увеличиваются и он значительно разогревается. Таким образом, с повышением частоты максимально допустимый средний прямой ток уменьшается. На рис. 2.3‑8 показана типичная зависимость среднего прямого тока выпрямительного диода от частоты приложенного напряжения.

Рис. 2.3-8. Зависимость максимально допустимого прямого среднего тока от частоты

В таб. 2.3‑1 приведен полный перечень специальных параметров выпрямительных диодов. Помимо описанных выше величин этот список включает также некоторые характеристики рассеиваемой мощности в различных режимах работы диода, некоторые токовые характеристики и др.

Таб. 2.3-1. Специальные параметры выпрямительных диодов