Выпрямительные диоды

1.

Выпрямительные диоды
К определению параметров диода

2.

К определению параметров
диода

3.

Включение диода в прямом направлении
E I пр Rогр U пр
I пр
U пр
E U пр
Rогр
0,7В для Si и 0,35В для Ge
I пр , макс
E U пр
E
I пр
Rогр
I пр I пр , макс

4.

При включении диода в прямом направлении полярность внешнего
напряжения совпадает со знаком основных носителей заряда в
полупроводниках: «+» подключен к p-области; «-» подключен к nобласти. Про такое подключение говорят, что диод смещен в прямом
направлении или открыт. Внешнее прямое напряжение всегда
прикладывается к диоду через ограничительный резистор Rогр . При
прямом смещении p-n-перехода, когда U диод 0 , сопротивление диода
мало, поскольку переход заполнен основными носителями заряда,
поэтому прямой ток I пр через диод одновременно задается и
ограничивается внешней цепью. Ограничительный резистор Rогр
служит для защиты диода и источника питания E от перегорания.

5.

По второму закону Кирхгофа для данной цепи справедливо
E U пр
E I пр Rогр U пр , следовательно I пр
, где U пр - прямое падение
Rогр
напряжение на диоде. На практике U пр принимают равным типовому
значению 0,7В для Si и 0,35В для Ge.
Прямой ток диода, ограничивается предельно допустимым
значением I пр, м акс (справочный параметр). Чтобы диод не выгорел
I пр I пр, макс . Если внешнее напряжение
существенно превышает прямое, т.е. E U пр , то в расчетах
E
последним пренебрегают I пр
.
Rогр
В общем случае, чтобы обеспечить смещение p-n-перехода в
прямом направлении внешнее напряжение должно превышать прямое,
т.е. E U пр , в противном случае p-n-переход (диод) не откроется.
необходимо обеспечить

6.

Включение диода в обратном направлении
E I обр R U обр
U обр E

7.

При включении диода в прямом направлении полярность внешнего
напряжения не совпадает со знаком основных носителей заряда в
полупроводниках: «+» подключен к n- области; «-» подключен к pобласти. Про такое подключение говорят, что диод смещен в
обратном направлении или заперт. Обратное смещение
осуществляется, если на диод подать внешнее обратное (запирающее)
напряжение. При таком напряжении ( U диод 0 ) высота потенциального
барьера повышается и количество основных носителей заряда,
преодолевающих барьер экспоненциально уменьшается. В этом
случае сопротивление p-n-перехода велико и на практике его
полагают бесконечно большим. По второму закону Кирхгофа для
данной цепи можно записать E I обр R U обр . Т.к. сопротивление p-nперехода стремится к бесконечности, то обратный ток стремиться к
нулю поэтому U обр E .

8.

Видно, что все внешнее напряжение приложено к диоду. Внешнее
запирающее напряжение должно быть меньше предельнодопустимого обратного
напряжения (справочный параметр).

9.

Вольт-амперные характеристики
выпрямительных диодов

10.

Однополупериодное выпрямление
Однофазный однополупериодный выпрямитель
(а - схема выпрямителя; б - диаграмма входного напряжения;
в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке;
г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

11.

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π) плюс
напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду
диода, а минус - к катоду. Диод открывается, и ток проходит от плюса
вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление
нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора.
Во время отрицательной полуволны (в интервале π ÷ 2π) на анод
диода поступает минус, а на катод - плюс входного напряжения, т.е. к
диоду прикладывается обратное напряжение, и он закрыт.
На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет
падения напряжения. Трансформатор Т играет двойную роль: он
служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е2 соответствующей
заданной величине выпрямленного напряжения Ed и обеспечивает
гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры,
относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи
выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова
direct - прямой): Rd - сопротивление нагрузки; ud - мгновенное
значение выпрямленного напряжения; id - мгновенное значение
выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются
следующие соотношения.

12.

Параметры однополупериодного выпрямителя

13.

Двухполупериодный выпрямитель
Мостовая схема
Выпрямитель со средней точкой

14.

Мостовая схема
а - схема выпрямитель, мостовая схема; б - диаграмма входного
напряжения на диодах мостовой схемы; в - диаграмма и среднее
значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение
тока в нагрузке

15.

Мостовая схема является наиболее распространённой. Она
также двухполупериодная. Во время положительного полупериода ток
проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод
VD1, сопротивление нагрузки Rd, диод VD3 на минус вторичной
обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено
обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного
полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку Rd, диод VD4. В
случае чисто активной нагрузки, пренебрежении индуктивностью
обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет
следующие основные соотношения:

16.

Основные соотношения
для мостовой схемы

17.

18.

РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
В задаче требуется произвести расчет и выбор основных элементов
схемы полупроводникового выпрямителя.
Величина эквивалентного сопротивления нагрузки определяется в
ходе расчета
Основными элементами расчета являются
расчет параметров и подбор выпрямительных диодов или
блоков (выпрямительных комплектов);
определение параметров и подбор элементов фильтра;
нахождение параметров силового трансформатора – коэффициента
трансформации k12 и его габаритной мощности Pтр;
вычисление коэффициента полезного действия выпрямителя

19.

При решении задач следует помнить, что основными параметрами
полупроводниковых диодов являются допустимый ток Iдоп, на который
рассчитан данный диод, и обратное напряжение Uобр, 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:
Iдоп ≥ Iд и Uобр ≥ Uд.
Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значением
мощности потребителя (нагрузки) Рн, Вт, получающего питание от данного
выпрямителя, и выпрямленным напряжением Uн, В, при котором работает
потребитель постоянного тока. Отсюда нетрудно определить ток потребителя
(нагрузки):
Iн=Pн/Uн.

20.

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
однофазного однополупериодного выпрямителя ток, протекающий
через диод равен току потребителя (Iд=Iн). Для однофазной
двухполупериодной и однофазной мостовой схем выпрямления ток
через диод равен половине тока потребителя (Iд=Iн/2). Для трехфазных
выпрямителей ток через диод составляет треть тока потребителя
(Iд=Iн/3). Очевидно, что при выборе диода, для всех выпрямителей
должно соблюдаться условие: Iдоп≥Iд.
Напряжение, действующее на диод в непроводящий период Uд
(обратное), также зависит от той схемы выпрямления, которая
применяется в конкретном случае. Так, для однофазных
однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей
Uд=π•Uн=3,14Uн, для однофазного мостового
выпрямителя:Uд=1,57•Uн, для трехфазного однополупериодного
выпрямителя: Uд =2,1•Uн, для трехфазного мостового
выпрямителя Uд =1,05•Uн. Очевидно, что при выборе диода, для
всех выпрямителей должно соблюдаться условие: Uобр>Uд.

21.

Решение:

22.

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.
Для решения задач необходимы справочные данные по полупроводниковым диодам.
Справочные данные по полупроводниковым диодам представлены в таблице 1.
Таблица 1. Справочные данные диодов.
Типы диодов Iдоп ,А
Д7Г
Д205
Д207
Д209
Д210
Д211
Д214
Д214А
Д214Б
Д215
Д215А
Д215Б
Д217
Д218
Д221
Д222
Д224
Д224А
Д224Б
Д226
Д226А
Д226Г
0,3
0,4
0,1
0,1
0,1
0,1
5
10
2
5
10
2
0,1
0,1
0,4
0,4
5
10
2
0,3
0,3
0,3
Uобр max, В Типы диодов
200
400
200
400
500
600
100
100
200
200
200
200
800
1000
400
600
50
50
50
400
300
200
Д231
Д231Б
Д232
Д232Б
Д233
Д233Б
Д234Б
Д242
Д242А
Д242Б
Д243
Д243А
Д243Б
Д244
Д244А
Д244Б
Д302
Д303
Д304
Д305
КД202А
КД202Н
Iдоп ,А
Uобр max, В
10
5
10
5
10
5
5
5
10
2
5
10
2
5
10
2
1
3
3
6
3
1
300
300
400
400
500
500
600
100
100
100
200
200
200
50
50
50
200
150
100
50
50
500

23.

Задание: определить параметры выпрямительного диода
Пример 1. Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из четырех
диодов:
Д218, Д222, КД202Н, Д215Б.
Мощность потребителя
Рн = 300 Вт, напряжение потребителя Uн = 200 В.
Решение.
1. Выписываем из таблицы 1 «Справочные данные диодов»
параметры указанных диодов:
Д218
Iдоп = 0,1А,
Uобр = 1000В
Д222
Iдоп = 0,4А,
Uобр = 600В
КД202Н
Iдоп = 1А,
Uобр = 500В
Д215Б
Iдоп = 2А,
Uобр = 200В
2. Определяем ток потребителя (нагрузки):
Iн=Pн/Uн =300/200 = 1,5 А.
3. Определяем ток, протекающий через каждый диод:
Iд=Iн/2=1,5/2=0,75 А.
4. Находим напряжение, действующее на диод в непроводящий период
для мостовой схемы выпрямителя:
Uд=1,57•Uн =l,57•200=314 В.
5. Выбираем диод из условия: Iдоп> Iд=0,75 А, Uобр>Uд=314 В.

24.

Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н с параметрами:
Iдоп = 1,0А> Iд=0,75А;
Uобр = 500> Uд=314 В.
Диоды Д218 и Д222 удовлетворяют условию по напряжению,
так как 1000 и 600 больше 314 В, но не подходят по
допустимому току, так как 0,1 и 0,4 меньше 0,75 А). Диод
215Б, наоборот, подходит по допустимому току, так как
2>0,75 А, но не подходит по обратному напряжению, так как
200В<314В.
6. Составляем схему мостового выпрямителя (рис. 1). В этой
схеме используем диоды КД202Н, с параметрами:
Iдоп = 1А; Uобр = 500В.

25.

Пример 2. Для питания постоянным, током потребителя мощностью Рн = 300 Вт
при напряжении на нагрузке Uн = 20 В необходимо собрать схему
однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды
Д242А.
Решение.
1. Выписываем из таблицы 1 «Справочные данные диодов» параметры заданного
диода:
Iдоп = 10 А; Uобр = 100 В.
2. Определяем ток потребителя:
Iн=Pн/Uн = 300/20 =15 А.
3. Ток через диод в однофазном однополупериодном выпрямителе равен току
потребителя (нагрузки):
Iд=Iн =15А
4. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
Uд=3,14•Uн = 3,14•20 = 63 В.
5. Проверяем соответствие прараметров диода условиям:
Iдоп≥Iд и Uобр≥Uд.
Конкретно для данной схемы диод должен удовлетворять условиям:
Iдоп>Iн и Uобр>π•Uн=3,14Uн
В данном случае первое условие не соблюдается (10А<15 А, т. е. Iдоп< Iд), второе
условие выполняется (100>63 В, т.е. Uобр≥Uд).