Последовательное включение полупроводниковых приборов

Как правило, диоды и тиристоры и прочие полупроводниковые элементы подбираются по номинальным напряжениям и токам. Но иногда возникают ситуации когда выбранных номиналов не достаточно для нормальной работы устройств. В таком случае иногда используют параллельное или последовательное соединение вентилей. Последовательное – для повышения напряжения, проводимого элементами, а параллельное для увеличения тока устройства. Мы рассмотрим такие включения на примере диодов и тиристоров.

Последовательное включение вентилей как правило применяют в высоковольтных установках. Такой способ включения позволяет сэкономить на согласующих трансформаторах (а они как правило дорогие), а также убрать из цепи еще одно звено преобразования энергии (понижающий и повышающий трансформаторы).

Но эта система не так проста как кажется на первый взгляд. Поскольку каждый из вентилей имеет свою вольт – амперную характеристику и не всегда они совпадают. Схема включения таких элементов показана ниже:

Поскольку вентили включены последовательно, то согласно закону Кирхгофа, обратное  напряжение, приложенное к тиристорам  поделится на количество тиристоров включенных в цепь. В нашем случае на два.

Но как упоминалось выше, каждый тиристор имеет свою вольт – амперную характеристику, она приведена ниже:

Как мы можем видеть из характеристики, при протекании одного и того же обратного тока через вентили, напряжения U

R₁ и  U_R2  будут различны. В нашем случае U_R1> U_R2. Это нужно учитывать, так как U_R1 может быть больше допустимого значения, что может привести к выходу из строя устройства.

В еще более тяжелом состоянии оказывается тиристор с меньшим временем восстановления запирающих свойств в динамических режимах. К нему будет прикладываться  суммарное напряжение всей системы U_R , что может привести к самопроизвольному открытию тиристора или пробоя его структуры.

Поэтому перед включением тиристоров в последовательную цепь  проводят их подборку по свойствам восстановления их запирающих свойств с помощью специального устройства или проверка проводится заводом изготовителем по предварительному согласованию.

Так как идеально подобрать все вентили не удается,  то применяют различные схемы для защиты их от неравномерного распределения напряжения.

В целях выравнивания напряжения на отдельных приборах применяют шунтирующий резистор R_ш, примерное сопротивление которого считается по формуле:

Где: n – число приборов, которые включены последовательно; U – максимально допустимое напряжение прибора, В; U

m – максимальное напряжение ветви с устройствами, В; I_Rm – максимальный обратный ток  (в закрытом состоянии) в амплитудных значениях, А.

Мощность данного резистора мы можем рассчитать из известных каталожных данных U_RSM  и полученного сопротивления шунтирующего резистора:

Для выравнивания напряжения в переходных режимах параллельно к тиристору подключают конденсатор, где его емкость рассчитывается по формуле:

Где: n – число приборов, которые включены последовательно; ∆Q_RR – наибольшая разность зарядов восстановления устройств, Кл; максимально допустимое напряжение прибора, В; Е_к – максимальное напряжение, приложенное к цепи с включенными приборами, В.

Параллельно включенный конденсатор эффективно выравнивает напряжение в переходных режимах, но при этом увеличивается ток на интервале отпирания. Чтоб ограничить этот ток применяют демпфирующий резистор R_Д. Методика расчета этого резистора не приводится в данной статье, но как правило сопротивление этого резистора не превышает несколько десятков Ом. Схема показана ниже:

Чтоб ограничить скорость нарастания потенциала в закрытом состоянии, которое может вызывать самопроизвольное включение тиристора, параллельно к демпфирующим резисторам R_Д подключают диоды Д_Д, они имеют возможно меньшее время восстановления:

Также выравнивание потенциалов могут осуществлять с помощью лавинных диодов или стабилитронов, которые подключают параллельно. Максимальное значения напряжения диодов или стабилитронов должно быть либо немного меньше или равно напряжению переключения тиристора. Также данные устройства должны иметь минимальный разброс по пробою:

Если выравниванию подлежит и прямое и обратное напряжение, то применяют такую схему:

Если не предъявляют жестких требований к разбросу, то может использоваться такой вариант:

Также данные схемы требуют постоянного контроля за работой каждого тиристора, так как при выходе из строя одного, возрастет потенциал на других элементах, что может привести к выходу из строя целого плеча элемента.

Идея включения последовательно не очень хороша и имеет свои изъяны. Поэтому следует при использовании приведенных выше схем оценить их экономическую и техническую целесообразность.

Последовательное включение диодов | Все своими руками

Опубликовал admin | Дата 27 октября, 2013

     В практике радиолюбителей иногда возникает необходимость последовательного соединения диодов. Это, когда нет под рукой диодов на необходимое обратное напряжение, да и цена одного высоковольтного диода может быть выше, чем цена трех низковольтных.

При таком соединении напряжение распределяется между всеми диодами. Однако необходимо учитывать, что диоды имеют разные значения величин обратного тока, а также могут обладать нестабильностью обратного тока во времени. Известно, что обратные сопротивления диодов и тиристоров одного и того же типа и класса из-за разной степени нелинейности обратных ветвей вольтамперных характеристик могут значительно отличаться. Очевидно, что при последовательном включении большая часть приложенного напряжения будет падать на диоде с наименьшим обратным током, т.е. с наибольшим обратным сопротивлением. Вследствие этого обратные напряжения на отдельных из них, могут оказаться больше допустимых, что приведет вначале к про¬бою некоторых вентилей, а затем и всего плеча выпрямительной установки. И надо заметить, что лучший вентиль с наибольшим обратным сопротивлением оказывается в наихудших условиях и имеет самую высокую вероятность пробоя. Как показывает опыт эксплуатации, пробой происходит в течение долей секунды и необходимо принимать меры для устранения аварийного режима. Поэтому параллельно каждому из диодов включают уравнивающие резисторы (см. рис. 1)

     Сопротивление уравнивающего резистора должно быть раз в десять меньше величины обратного сопротивления диода. Расчет сопротивлений шунтирующих резисторов в маломощных схемах производится по следующей упрощенной формуле: Rш = Uобр.max/10 Iобр.max. Где Uобр.max – максимальное напряжение, при котором будет работать диод, Iобр.max – максимальный обратный ток диода. Если все шунтирующие сопротивления выбрать одинаковыми по номиналу, то и обратные напряжения на всех диодах будут одинаковыми и не зависящими от разных обратных сопротивлений диодов.

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:8 784

1.10.1. Схемы включения стабилитронов

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

Рис. 18

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U_Н = U_ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U_ст + R_ст (I_ст – I_Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R_Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R_СТ. Обычно R_СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E_min  E  E_max, то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U_CT, а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Рис. 19

Все изменения напряжения поглощаются R_CT, поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R_Н изменяется в пределах от R_Нmin до R_Нmax, в этом случае: ,;.

Так как R_CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U_CT также постоянно, то и ток через R_CT I_CP+I_НCP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I_CP и I_Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R_CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R_CTнеобходимо уменьшать (уменьшать R_CT– не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R_доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R_CTдолжно быть постоянным.

U_Н=U_CT─I_НR_доб

Рис. 20

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U_CT=U_CT1+U_CT2

Рис. 21

Для компенсации температурного дрейфа U_CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R_T, имеющее ТКR_Т обратный по закону ТКU_CT.

Рис. 22

Для стабилитронов с ТКU_CT>0 в качестве R_T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

1.10.2. Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r_б и малое значение R_диф. Слабая зависимость U_ПР от I_ПР на

Рис. 23

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

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.