16. Параллельное и последовательное соединение диодов

При выпрямлении высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно, чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечёт пробой диодов.

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно, между диодами, независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование резисторами. Сопротивления R_Ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Но вместе с тем R_Ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т.е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

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.

Уравнительные резисторы R_У подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в диодах.

17. Применение выпрямительных диодов.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямление переменного тока с помощью полупроводникового диода основано на его односторонней электропроводности. Она заключается в том, что диод оказывает очень малое сопротивление току, протекающему в одном (прямом) направлении, и очень большое сопротивление току, протекающему в другом (обратном) направлении. Чем больше площадь р-n-перехода, тем большей силы ток можно через него пропускать, не опасаясь теплового пробоя и порчи диода. Поэтому в выпрямительных полупроводниковых диодах используются плоскостные р-n-переходы. Плоскостной р-n-переход получают, вводя в полупроводник р- или n-типа примеси, создающие в нем область с противоположным типом электропроводности. Примеси можно вводить путем сплавления или диффузии. Диоды с использованием р-n-переходов, полученных методом сплавления, называются сплавными, а методом диффузии — диффузионными.

Выпрямление переменного напряжения (тока) с помощью диода иллюстрируется рис. 3.9. В течение положительного полупериода входного напряжения U1 диод V включен в прямом направлении, сопротивление его мало и на нагрузке

Rн напряжение U2 практически равно входному напряжению. При отрицательном полупериоде входного напряжения диод включен в обратном направлении, его сопротивление оказывается значительно больше, чем сопротивление нагрузки, и почти все входное напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке близко к нулю. В данной схеме для получения выпрямленного напряжения используется лишь один полупериод входного напряжения, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным.

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 U_обр. И увеличивается он пропорционально количеству соединённых диодов. Такое включение можно увидеть на рисунке 1.

Рис. 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 U

обр=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.

Рис. 2

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

Параллельное соединение диодов

В электротехнике нередко возникает необходимость в получении выпрямленного тока, который превышает предельную величину, соответствующую одному диоду. В таких случаях, применяется параллельное соединение диодов одного типа. Это позволяет равномерно распределить проходящий через них ток. Однако, не всегда удается добиться такой равномерности, поэтому приходится прибегать к искусственному выравниванию прямых сопротивлений диодов. Для этого используются добавочные сопротивления с небольшой величиной, включаемые в последовательную цепь с каждым диодом. В результате, получается надежно работающая схема со всеми необходимыми параметрами. Для чего диоды соединяются параллельно Основной целью параллельного соединения диода является увеличение их прямого тока. Это основной параметр каждого диода. Однако, существует большое количество диодов, рассчитанных на различные значения токов в самом широком диапазоне. Поэтому, обычное параллельное соединение полностью не решает вопроса по увеличению общего прямого тока. Если каждый из диодов, включенных параллельно, будет обладать прямым током в 1 ампер и максимальным обратным напряжением 100 вольт, то вся цепочка будет иметь параметры в 3 ампера и 100 вольт. То есть, параллельное включение предполагает возрастание прямого тока, пропорционально количеству включенных диодов. При этом, максимальное значение обратного напряжения остается неизменным. Когда производится параллельное соединение диодов с разными характеристиками, то и распределение прямого тока будет неравномерным. Диод, имеющий наименьшее сопротивление, будет брать на себя в прямом направлении большее количество тока. При наступлении определенных обстоятельств, такое превышение может стать критическим и привести к пробою диода. Для того, чтобы избежать подобной ситуации, с каждым светодиодом последовательно подключается резистор. Их сопротивление выбирается из расчета, что напряжение будет падать не более чем на 1 вольт. Кроме параллельного, в электрических цепях нередко используется последовательное соединение диодов, что при определенных обстоятельствах имеет решающее значение. Последовательное соединение В электротехнике используется не только параллельное соединение диодов. Для высоковольтных цепей нередко применяется их последовательное соединение. При таком варианте соединения происходит равномерное распределение напряжения между всеми подключенными диодами. Тем не менее, здесь также необходимо учитывать различные значения обратных токов. Таким образом, в случае последовательного включения, будет наблюдаться падение большей части приложенного напряжения на диоде, имеющем минимальный обратный ток. В случае превышения допустимого значения обратного напряжения, может произойти пробой диода. Поэтому, здесь также падение напряжения искусственно выравнивается, для чего используются специальные шунтирующие сопротивления. Ошибки при пайке транзисторов и диодов

Зачем соединяют диоды параллельно

Зачем соединяют диоды параллельно? Затем,чтобы увеличить один из главных параметров — прямой ток диода. Но! Существует множество диодов, которые рассчитаны на самые разные токи, от миллиампер до сотен и тысяч ампер. Поэтому соединять

диоды параллельно для увеличения общего прямого тока не имеет большой актуальности.

Рис. 1

Диоды, включенные параллельно, можно видеть на рис. 1. Если каждый из них имеет прямой ток 1 А и максимальное обратное напряжение 100 В, то параметры всей цепочки будут соответственно 3 А и 100 В. Т.е. при параллельном включении пропорционально количеству возрастает прямой ток, а максимальное обратное напряжение не меняется.

В силу того, что характеристики отдельно взятых диодов всегда будут разниться, соединяя диоды параллельно необходимо всегда учитывать этот факт. При параллельном включении прямой ток будет неравномерно распределяться между диодами. Диод, обладающий наименьшим сопротивлением, будет брать на себя больший ток в прямом направлении. И в определённых обстоятельствах это превышение может оказаться критичным и произойдёт пробой диода. Чтобы этого не случилось, соединяя диоды параллельно, последовательно с каждым из них ставят резистор. См. рис. 2. Сопротивление этих резисторов выбирают из расчёта падения напряжения на них не более 1 В. Т.е. при токе в 1 А они должны быть около 1 Ома.

Рис. 2

Встречается и комбинированное — последовательно-параллельное включение диодов. Такое включение показано на рис. 3.

Рис. 3

Мы видим три цепи, соединённые параллельно, в каждой из которых последовательно включено по три диода. Если каждый из них имеет параметры, как указаны в первом примере, то общая характеристика всей «гирлянды» будет следующая: прямой ток — 3 А, максимальное обратное напряжение — 300 В. Можно предположить, что цена всей конструкции будет безусловно выше стоимости одного диода с похожими характеристиками.

Таким образом, если последовательное включение является вполне оправданным для повышения максимального обратного напряжения, то параллельное соединение диодов не является эффективным способом увеличения прямого тока из-за наличия дешёвых мощных диодов.

Параллельное соединение диодов

К параллельному соединению прибегают в тех случаях, когда необходимо получить выпрямленный ток больший, чем предельно допустимый прямой ток данного типа диодов. При выполнении такого соединения необходимо учитывать, что все диоды имеют разброс параметров.

VD1R1

I_вхVD2R2I_вых

VD3R3

Для смягчения разброса параметров последовательно с диодами включают небольшое сопротивление.

Последовательное включение диодов

К последовательному включению диодов прибегают в тех случаях, когда на диод при работе может действовать обратное напряжение, превышающее максимальное обратное напряжение диода. Т.к. обратное сопротивление и ток различны, то обратное напряжение распределено неравномерно. Поэтому последовательное соединение ненадёжно и параллельно с диодами включают резисторы, сопротивление которых на порядок меньше обратного сопротивления диода.

1 2 3

U_вхU_вых

За счёт резисторов выравнивается падение напряжения на каждом диоде, поскольку равны падения напряжения на резисторах.

U_обр.maxдиода надо выбирать так, чтобы оно на 20% превышалоU_{обр.раб}.

Особенности германиевых и кремниевых вд

ВД изготавливаются из монокристаллов. Они могут быть точечными и плоскостными. Особенностью плоскостных диодов является большая ёмкость, что позволяет им работать при меньших частотах. Диоды помещаются в герметизированный корпус, что обеспечивает возможность их работы в условиях высокой влажности и загрязнённости.

T_{раб.гр.Ge}=70C,T_{раб.гр.Si}=150C. Для обеспечения лучшего теплоотвода используется металлический корпус, к которому припаиваются пластины п/п. Часто диоды дополнительно устанавливаются на внешний радиатор и могут иметь устройство для воздушного или жидкого охлаждения.

I_обр.Si<I_обр.Ge

U_пр.Si>U_пр.Ge

j_доп.Si>j_доп.Ge

U_{обр.доп.Si}= 1500 В

U_{обр.доп.Ge}= 400 В.

Различные зависимости напряжения пробоя от температуры: в германиевых диодах – тепловой пробой, в кремниевых – лавинный.

Прямое напряжение Geуменьшается при увеличении температуры, аSi– увеличивается.

ВЧ — и СВЧ – диоды

Обычно это точечные диоды, которые используются на частотах до нескольких сотен МГц для:

Площадь их мала, поэтому рассеиваемая мощность 20–30 мВт,

Импульсные диоды

Предназначены для работы в ключевых схемах. Помимо основных параметров для диодов этого типа указываются специальные параметры.

I

I_пр.уст

t

t

U_прI_прτ_восI_обр

U_прустt

τ_уст

t

_устхарактеризует время установления прямого напряжения на диоде (уменьшение пика напряжения до величины 1,2U_прустановившегося).

Величина _устхарактеризуется временем рассасывания неосновных инжектировавших в базу носителей и уменьшением сопротивления базы.

_вос — при переключенииU_вхс прямого на обратное инжекция дырок в базу прекращается (в случае, если п/пp-типа является эмиттером).

В базе у запирающего слоя концентрация дырок уменьшается до равновесной, но инжектировавшие ранее дырки не прошли всю базу и в толще базы концентрация дырок выше, чем у ЗС. Часть дырок продолжает диффузионное движение к выводу базы, но большая их часть будет осуществлять движение обратно к эмиттеру, вызывая увеличение обратного тока. Равновесное значение концентрации дырок по всей базе наблюдается через время _вос, когда все вышеперечисленные процессы завершатся.

_вос желательно уменьшать, что достигается следующими способами:

• Легированием базы примесями, которые способствуют рекомбинации неосновных носителей.

• Использованием базы с неоднородной концентрацией примесей. В таких диодах концентрация примесей монотонно увеличивается по мере удаления от ЗС к выводу. В связи с этим неравномерной оказывается и концентрация неосновных подвижных носителей. Следовательно, возникает диффузионный ток (из-за градиента концентрации электронов). Электроны из базы диффундируют к ЗС и обнажают вдали от него неподвижные ионы доноров. Возникает э.п., направленное к ЗС. Под воздействием этого поля инжектирующие в базу дырки прижимаются к границе ЗС и образуют там объёмный заряд дырок с повышенной плотностью. При переключении напряжения с прямого на обратное эти дырки втягиваются полем p-n-перехода за очень малое время.

Помимо этих параметров для ИД указываются U_{пр.имп.max},I_{пр.имп.max}и их соотношение – импульсное сопротивление.

Ёмкость перехода должна быть маленькой (от 0,1 до 1 пФ).

По времени _восдиоды бывают:

• Миллисекундные (_вос>0,1 мс)

• Микросекундные (_вос>0,1 мкс)

• Наносекундные (_вос<0,1 мкс)

СВЧ – диоды

Используются для детектирования, умножения, преобразования частот СВЧ – колебаний, а также для управления мощностью СВЧ – сигналов.

Конструкция диодов такова, что они могут включаться в коаксиальный и волноводный тракт.

Обычно диоды точечные, с малой междуэлектродной ёмкостью.

Работают на частотах до 10ГГц.

Виды:

Смесительные диодыиспользуются для преобразования сигналов СВЧ диапазона в сигнал промежуточной частоты. На диод, помещённый в отрезок волновода, подаётся сигнал от антенны и гетеродина (маломощный, широкодиапазонный, высокостабильный генератор).

Потери преобразования:

P_СВЧ– мощность сигнала на входе

P_преобр– мощность сигнала на промежуточной частоте

L= 6,5 ..8,5 дБ, т.к. зависит от величины тока через диод.

Температура шумов

Р_шум — мощность шумов, возникающих в диоде

kTf– мощность тепловых шумов в эквивалентном сопротивлении при комнатной температуре

t– температура на уровне мощности от гетеродина в 1 мВт

t= 2 ..3 . Зависит от тока через диод.

L,t

L

t

I_выпр

Максимально допустимая импульсная мощность P_доп. сигнала, подводимого к смесителю. Лежит в пределах от 30 до 150 мВт.

Входное сопротивление смесительного диода Z _вх.

Диод изготавливается так, чтобы было хорошо согласовано входное сопротивление диода с антенной, т.к. в случае неправильного согласования возможно значительное отражение мощности принятого сигнала.

Z_вх= стандартному сопротивлению волнового тракта (50; 75 Ом).

Детекторные диоды характеризуются специальными параметрами:

Чувствительность по току

Добротность

t– температура шумов

R₀– сопротивление диода в рабочей точке

R_ш– эквивалентное сопротивление шумов ~ 1 кОм.

Переключающие диодыбывают 2 типов:

Эти диоды включаются непосредственно в линию передачи СВЧ – сигнала. Работа этих двух диодов основана на изменении комплексного сопротивления при переключении полярности внешнего управляющего постоянного напряжения.

Диоды со специальнымp—n-переходом.

Обратное смещение на диод.

L– индуктивность контураL

C _п– ёмкость корпусаC_бар C_п

R_б– сопротивление базыR_д

R_д– дифференциальное сопротивлениеR_б

C_бар– барьерная ёмкость, много большеC _п.

L

C_бар C_п

R_б

При резонансе сигнал проходит через цепь.

Параметры данного диода подбираются таким образом, чтобы R_дпри обратном смещении был много большеX_{C бар} . При прямом напряженииR_д<<R_б,C_бар>>C _п— при обратном смещении.

При обратном смещении в диоде «образуется» последовательный контур LC_бар; параметры таковы, что при рабочей частоте наступает резонанс этого контура.

Прямое смещение на диод.

Дифференциальное сопротивление очень мало, барьерная ёмкость отсутствует.

На рабочей частоте наблюдается резонанс параллельного контура LC_п, следовательно, он обладает большим сопротивлением и сигнал через диод не проходит.

L

C_п

R_б

P-i-n диоды

При подаче прямого напряжения происходит двухсторонняя инжекция носителей в i-область. В результате концентрация носителей в ней резко увеличивается, сопротивление уменьшается. И сигнал СВЧ проходит через диод.

При обратном включении i-область обеднена носителями тока, сопротивление её увеличивается, и сигнал не проходит. С целью уменьшения

N,Pn i p

N_nN_i=P_iP_p

P_nX

N_i=P_i

U_прP_nN_nN_pP_p

X

U_обрN_i=P_i

N_nP_nN_pP_p

X

вероятности рекомбинации ширину i-области делают значительно меньше, чем диффузионная длина носителей заряда.

5.Последовательное и параллельное включение выпрямительных диодов.

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 несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различно нагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного.

Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением, эта величина составляет сотни Ом.

Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток, однако ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Оно может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов, чтобы ток, протекающий через резистор, был на порядок больше обратного тока диодов.

6.Сглаживающие фильтры выпрямителей. Разновидности. Принцип работы lc-фильтра.

Сглаживающие фильтры — устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. Они бывают активные и пассивные.

1.Сглаживающие RС-фильтры. Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад. Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной. Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы.

2.Сглаживающие LC-фильтры. Для увеличения КПД и уменьшения потерь выпрямленного напряжения на элементах фильтра широко применяются индуктивно-емкостные (LC) фильтры.  Этот фильтр отличается от однозвенного RС -фильтра тем, что резистор R1 заменен дросселем Др1. Дроссель обладает большим сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному току. В результате напряжение пульсаций, имеющихся на выходе выпрямителя, перераспределяется на делителе таким образом, что основная его часть падает на дросселе и несущественная — на конденсаторе. В то же время из-за малого сопротивления дросселя постоянному току напряжение на выходе фильтра будет мало отличаться от напряжения на выходе выпрямителя, т. е. КПД LC-фильтра оказывается выше, чем КПД RС -фильтра.    Для увеличения коэффициента сглаживания можно последовательно с одним звеном LC-фильтра включить точно такое же второе звено.   Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного LC-фильтра можно также, если параллельно дросселю включить бумажный конденсатор, который вместе с индуктивностью дросселя образует параллельный колебательный контур. Сопротивление контура на резонансной частоте значительно выше сопротивления дросселя. Поэтому, если емкость конденсатора выбрать такой, чтобы резонансная частота контура равнялась частоте пульсаций (50 Гц при однополупериодном выпрямлении или 100 Гц при двухполупериодном выпрямлении), большая часть напряжения пульсаций выделится в этом контуре и незначительная пойдет в нагрузку.

3. Сглаживающие транзисторные фильтры.  Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в несколько единиц или десятков вольт широко применяются фильтры с транзисторами.

Параллельно-последовательное соединение светодиодов

Достаточно давно мы с Вами рассматривали вопросы о подключении светодиодов. Среди них было: последовательное подключение светодиодов и параллельное. В этих статьях мы рассматривали положительные и отрицательные стороны таких соединений. Пришло время рассмотреть еще один интересный способ: параллельно-последовательное соединение светодиодов. Иногда его называют комбинированным соединением.

Параллельно-последовательное соединение светодиодов — схема

---

Исходя из названия подключения понятно, что основой такого подключения будет параллельное и последовательное соединение цепочек СИДов.

Для примера:

Взяв 15 светодиодов соединим их комбинированным способом (параллельно-последовательное соединение светодиодов).

Берем обычный 12 вольтовый источник питания и делаем нехитрый расчет. Без проблем можем запитать три последовательных диода. Для каждого из них нужен резистор в 480 Ом.

Соберем пять таких цепочек и подключим их параллельно. При таком соединении напряжение останется неизменным, в то время как сила тока каждой цепи умножится на количество цепочек.

Т.е. нам нужен источник на 12В и 0,125 А (5*0,25). Мы видим, что при таком способе подключения ток экономится достаточно не плохо.

Параллельно-последовательное соединение светодиодов — преимущества

---

Низкое потребление тока при большой плотности светодиодов, каждая цепочка не зависит от соседних, благодаря наличию собственного токоограничительного резистора.

Параллельно-последовательное соединение светодиодов — недостатки

---

Внутри цепочки мы получаем те же проблемы, что и при обычном параллельном соединении. При наличии «кривых» светодиодов в цепочке, она выйдет из строя раньше других.

Вывод

---

Параллельно-последовательное соединение — вполне рабочий вариант, единственное, что не приятно — достаточно трудоемкий процесс как по созданию, так и по обслуживанию конечного продукта.