Параллельное соединение диодов: секреты и тонкости
Диоды широко используются в электронике для выпрямления переменного тока и защиты цепей. Их часто соединяют последовательно или параллельно для получения нужных характеристик. Давайте разберемся, зачем и как правильно соединять диоды параллельно.
1. Общие сведения о диодах
Диод – это электронный прибор, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Основное назначение диодов:
- Выпрямление переменного тока
- Защита цепей от перенапряжений и токов
- Детектирование сигналов
- Генерация и формирование импульсов
Существует несколько основных типов диодов:
- Выпрямительные диоды для выпрямления переменного тока
- Импульсные и высокочастотные диоды для работы в импульсных схемах
- Варикапы для настройки частоты в радиотехнике
- Светодиоды для преобразования электрической энергии в свет
- Стабилитроны для стабилизации напряжения
параллельное соединение диодов в электрической цепи основано на их уникальной вольт-амперной характеристике, которая демонстрирует нелинейную зависимость тока через диод от приложенного напряжения. При прямом включении диод пропускает ток, а при обратном – блокирует. Основные параметры диода:
- Пробивное напряжение Упр – максимальное обратное напряжение, которое диод может выдержать в закрытом состоянии.
- Максимальный прямой ток Ипр – предельное значение тока в открытом состоянии диода.
- Время восстановления тв – время, за которое диод переходит из закрытого состояния в открытое.
2. Параллельное соединение диодов
Параллельное соединение диодов применяется, когда требуется увеличить максимальный прямой ток по сравнению с отдельным диодом.
Рассмотрим работу параллельного соединения диодов на примере трех одинаковых диодов VD1-VD3, включенных параллельно. Пусть каждый диод рассчитан на максимальный прямой ток 1 А. Тогда суммарный ток через три параллельных диода может достигать 3 А. Однако на практике ток будет распределяться между диодами неравномерно.
Из-за разброса параметров основная часть тока потечет через диод с наименьшим сопротивлением в открытом состоянии. Это может привести к перегреву и выходу его из строя. Чтобы избежать такой ситуации, последовательно с каждым диодом включают резисторы R1-R3.
Сопротивление резисторов выбирают таким, чтобы обеспечить одинаковое падение напряжения на всех ветвях (например, по 1 В). При токе 1 А в каждой ветви резисторы должны иметь сопротивление порядка 1 Ом.
Основными преимуществами параллельного соединения диодов являются:
- Увеличение максимального прямого тока
- Распределение тепловой нагрузки между диодами
- Повышение надежности за счет резервирования
Недостатки:
- Необходимость подбора диодов и резисторов
- Усложнение схемы
- Увеличение габаритов и стоимости
3. Последовательное соединение диодов
Последовательное соединение диодов применяют, когда нужно увеличить максимальное обратное напряжение.
Рассмотрим работу последовательного соединения на примере четырех диодов VD1-VD4 с обратным напряжением по 100 В каждый. Тогда максимальное обратное напряжение всей цепочки составит 400 В. Однако из-за разброса параметров напряжение будет распределяться по диодам неравномерно.
Чтобы избежать пробоя слабого диода, параллельно каждому диоду включают резистор. Сопротивление резисторов выбирают так, чтобы обеспечить равномерное распределение обратного напряжения (например, по 100 В на каждый диод).
Преимущества последовательного соединения диодов:
- Увеличение максимального обратного напряжения
- Удешевление схемы по сравнению с одним мощным диодом
Недостатки:
- Необходимость точного подбора диодов и резисторов
- Снижение надежности из-за большего числа элементов
Параллельное соединение вторичных обмоток трансформатора с диодами часто применяется в выпрямителях для увеличения выходного тока. Рассмотрим это подробнее в следующем разделе.
4. Применение параллельного соединения диодов
Рассмотрим несколько примеров применения параллельного соединения диодов.
В выпрямителях параллельное соединение диодов используется для увеличения максимального выпрямленного тока. Например, в мостовой схеме выпрямителя четыре диода включены по два параллельно.
Если каждый диод рассчитан на 1 А, то общий выпрямленный ток может достигать 2 А. Для выравнивания токов используют резисторы R1-R4.
В импульсных источниках питания
В импульсных источниках питания параллельное соединение диодов применяют в выходных выпрямителях для распределения токовой нагрузки между несколькими диодами.
В схемах защиты от перенапряжений
Параллельное соединение диодов шоттки часто используется в схемах защиты для повышения энергоемкости цепи.
В других схемах
Параллельное соединение применяется и в других схемах, где нужно:
- Увеличить ток через диод на большую величину
- Распределить тепловую нагрузку между диодами
- Повысить надежность схемы за счет резервирования диодов
5. Подбор диодов и резисторов
При использовании параллельного соединения важно правильно подобрать диоды и резисторы в цепях для обеспечения равномерного распределения токов.
При параллельном соединении лучше использовать диоды одного типа от одного производителя. Это позволит минимизировать разброс параметров между диодами.
Необходимо учитывать допустимый разброс прямого падения напряжения на диодах данного типа, указанный в спецификации. Чем меньше разброс, тем лучше будет распределение тока.
Расчет резисторов выравнивания
Сопротивление резисторов выравнивания рассчитывают, исходя из допустимого разброса прямого падения напряжения на диодах и требуемого тока через ветвь.
Например, для диодов с Упр = 0,7 B ±0,05 В при токе 1 А сопротивление резистора должно быть порядка (0,05 В)/(1 А) = 0,05 Ом.
Проверка распределения тока
После сборки схемы рекомендуется проверить фактическое распределение токов между параллельными ветвями с диодами. Для этого можно последовательно с диодами включить резисторы малого сопротивления и замерить падения напряжения.
Выбор мощности резисторов
Мощность резисторов выравнивания выбирают с запасом, исходя из максимального тока через ветвь и падения напряжения на резисторе.
Например, при токе 1 А и падении напряжения 0,05 В мощность резистора должна быть не менее P = UI = 0,05 В * 1 А = 0,05 Вт.