Расчёт диодной цепи начинается с топологии, формы тока и параметров конкретного компонента. Постоянное значение 0,7 В подходит лишь для грубой оценки кремниевого p-n-диода и не заменяет VF при требуемых токе и температуре.
Базовые зависимости выглядят так:
Uout ≈ Uin - n × VF
Pcond ≈ VF × IF(AV)
R = (VS - VD) / I
Tj ≈ Ta + P × RθJA
Число n показывает, сколько диодов одновременно проводят ток. Для мостового выпрямителя обычно учитывают два перехода. В импульсной цепи к потерям проводимости добавляются восстановление p-n-перехода и перезаряд ёмкости.
Расчёт по среднему току может быть недостаточен. Заряд конденсатора, пуск устройства и энергия катушки создают короткие пики, которые отдельно проверяют по IFSM, длительности импульса и тепловым графикам.
Перед расчётом проверяют обозначения и условия измерения на странице параметров диодов.
Падение напряжения в последовательной цепи
Если ток проходит через несколько последовательно включённых диодов, их прямые падения складываются. Для предварительной оценки выходного напряжения используют выражение:
Uout ≈ Uin - VF1 - VF2 - ... - VFn
Для одинаковых диодов при близкой температуре запись сокращается:
Uout ≈ Uin - n × VF
VF берут при ожидаемом токе, а не как постоянные 0,7 В для любого кремниевого диода. У диода Шоттки, светодиода и силового p-n-перехода значения будут различаться. При нагреве рабочая точка также смещается.
Суммарные потери последовательной цепочки в первом приближении равны произведению общего падения на ток. Если диоды размещены рядом, их нагрев влияет на температуру платы и условия охлаждения каждого корпуса.
Параллельное соединение этим расчётом не описывается. Из-за разброса VF ток может распределяться неравномерно, поэтому простое умножение допустимого тока одного диода на количество ветвей ненадёжно.
Для числовой проверки можно использовать калькулятор падения напряжения, а значение VF предварительно взять из графика даташита при нужных токе и температуре.
Потери проводимости на диоде
Когда диод открыт, основная статическая потеря связана с прямым напряжением. Для почти постоянного тока используют приближение:
Pcond ≈ VF × IF
Если диод проводит только часть периода, можно учитывать долю проводимости D:
Pcond ≈ VF × IF × D
Такая запись предполагает, что ток и VF во время открытого состояния меняются незначительно. Для произвольной формы точнее усреднять мгновенную мощность:
Pcond = average(vF(t) × iF(t))
| Исходное значение | Когда подходит | Основное ограничение |
|---|---|---|
| Средний ток | Почти постоянная нагрузка | Не описывает короткие высокие пики |
| Действующий ток | Оценка нагрева проводников и резистивной части | Сам по себе не учитывает нелинейное VF |
| Осциллограмма тока и напряжения | Импульсный преобразователь | Требует корректного измерения и усреднения |
Максимальное VF используют для худшего случая, а типовое – для оценки ожидаемой эффективности. Результат относится к проводимости и не включает обратное восстановление, утечку или перезаряд ёмкости.
Динамические потери при переключении
В импульсной схеме часть энергии теряется при закрывании p-n-диода и перезаряде его ёмкости. Для грубой оценки потерь обратного восстановления используют заряд Qrr:
Prr ≈ Qrr × VR × f
VR – обратное напряжение при переключении, f – частота. Формула показывает порядок величины, но не учитывает форму обратного тока, паразитные индуктивности и взаимодействие с силовым ключом.
Энергия, связанная с ёмкостью перехода, приближённо равна:
EC ≈ Cj × V² / 2
Ёмкость Cj зависит от напряжения, поэтому постоянное значение из одной точки даташита может дать заметную погрешность. При высокой частоте даже небольшая энергия каждого переключения превращается в существенную среднюю мощность.
Для общего баланса складывают потери проводимости и оценённые динамические потери, если их механизмы не учтены дважды. Затем результат проверяют по температуре перехода.
Нагрев и температура перехода
После расчёта средней мощности определяют температуру полупроводникового перехода. Для установившегося режима и известного RθJA применяют:
Tj ≈ Ta + Ptotal × RθJA
Ta – температура окружающей среды рядом с компонентом, а не температура воздуха вне корпуса устройства. Ptotal должна включать относящиеся к диоду потери проводимости, переключения и утечки.
RθJA зависит от монтажа. Если даташит нормирует его для определённой площади меди или тестовой платы, использование того же числа для другой разводки является только приближением. При установке на радиатор расчёт разбивают на участки от перехода к корпусу, через изолятор и от радиатора к воздуху.
Для короткого импульса постоянное тепловое сопротивление может быть слишком пессимистичным или, наоборот, скрывать локальный пик. Тогда используют график переходного теплового сопротивления Zθ(t).
Полученную Tj сравнивают с допустимой температурой и оставляют запас. Если расчёт близок к пределу, уточняют форму тока, фактическую температуру платы и условия теплоотвода либо выбирают другой корпус или технологию диода.
Диодный мост и пульсации после фильтра
Для синусоидального напряжения вторичной обмотки сначала определяют амплитуду:
Vpeak = Vrms × √2
В мостовой схеме ток проходит через два диода, поэтому пиковое напряжение после моста приближённо равно:
Vout_peak ≈ Vpeak - 2 × VF
После подключения ёмкостного фильтра конденсатор заряжается возле максимумов синусоиды и разряжается в нагрузку между ними. Для двухполупериодного выпрямления предварительная оценка ёмкости выглядит так:
C ≈ Iload / (2 × fgrid × ΔV)
fgrid – частота сети, ΔV – допустимый размах пульсаций. Реальное напряжение зависит от сопротивления обмотки, регулирования трансформатора, ESR конденсатора и импульсного тока диодов.
Подробное объяснение формы токов находится на странице «Диодный мост и выпрямление».
Резистор для стабилитрона
Последовательный резистор ограничивает ток через стабилитрон и одновременно питает нагрузку. В установившемся режиме:
R = (VS - VZ) / (IL + IZ)
VS – входное напряжение, VZ – напряжение стабилизации, IL – ток нагрузки, IZ – ток стабилитрона. Одной подстановки номинальных значений недостаточно: проверяют минимум и максимум питания, разброс нагрузки и допуск VZ.
| Проверяемый режим | Что должно выполняться |
|---|---|
| Минимальное VS и максимальный IL | Ток стабилитрона не ниже значения, нужного для заданной стабилизации |
| Максимальное VS и минимальный IL | Ток и мощность стабилитрона не превышают допустимые |
| Максимальное VS | Мощность последовательного резистора остаётся допустимой |
Мощность компонентов оценивают так:
PZ = VZ × IZ
PR = (VS - VZ)² / R
Напряжение стабилизации зависит от тока и динамического сопротивления. Если нагрузка меняется в широких пределах, простой параметрический стабилизатор может оказаться неэффективным.
Рабочие параметры специальных диодов разобраны в разделе «Стабилитрон и TVS-диод».
Оценка TVS-диода для защиты
TVS выбирают так, чтобы в нормальном режиме он не влиял на линию, а при импульсе удерживал напряжение ниже опасного для защищаемой цепи. Для этого сопоставляют три уровня: максимальное рабочее напряжение линии, VRWM компонента и напряжение ограничения VC.
Пиковую мощность во время заданного импульса приближённо оценивают:
Ppeak ≈ VC × IPP
Энергия зависит от формы и длительности импульса:
E = integral(v(t) × i(t) dt)
Паспортная Peak Pulse Power действительна для указанной формы импульса и температуры. Более длинное воздействие той же амплитуды может передать значительно больше энергии.
Сопротивление дорожек, проводов и источника ограничивает ток, а паразитная индуктивность создаёт дополнительный выброс до начала эффективного ограничения. Поэтому размещение TVS рядом с защищаемым входом является частью расчётной модели.
Для повторяющихся импульсов дополнительно рассчитывают среднюю мощность и нагрев.
Защитный диод катушки
После отключения тока катушка стремится сохранить его направление. Диод, подключённый параллельно катушке в обратной полярности относительно питания, создаёт путь для затухающего тока и ограничивает выброс напряжения.
Начальный ток диода приблизительно равен току катушки перед отключением. Энергия магнитного поля равна:
Ecoil = L × I² / 2
При выборе проверяют допустимый прямой импульсный ток, обратное напряжение во включённой цепи и способность диода рассеять повторяющуюся энергию. Если катушка срабатывает часто, среднюю мощность можно предварительно связать с частотой:
Paverage ≈ Ecoil × f
Это приближение не учитывает сопротивление обмотки и распределение энергии между ней и диодом, но показывает порядок нагрузки.
Обычный диод с малым напряжением ограничения замедляет спад тока и может увеличить время отпускания реле или клапана. Последовательный стабилитрон, TVS или другая схема ограничения ускоряет отключение ценой более высокого напряжения на ключе.
Схемы включения разобраны на странице «Диод в цепях защиты».
Проверка расчёта по даташиту
Формула даёт рабочую точку только при корректных исходных данных. Перед окончательным выбором результат сопоставляют с таблицами, графиками и примечаниями конкретного даташита.
Порядок проверки:
- Подтвердить полный код компонента и корпус.
- Найти максимальные рабочие ток и обратное напряжение.
- Взять VF и IR при близких токе и температуре.
- Проверить IFSM для формы и длительности пускового импульса.
- Для импульсной схемы сопоставить Qrr, trr и Cj с условиями измерения.
- Рассчитать среднюю мощность и температуру перехода.
- Проверить графики derating и переходного теплового сопротивления.
- Оценить худшее сочетание питания, нагрузки и температуры.
- Убедиться, что каждый режим имеет обоснованный запас.
Типовое значение используют для прогноза ожидаемого результата, а гарантированные минимумы и максимумы – для проверки границ. Если производитель не нормирует нужный показатель, его нельзя считать гарантированным по одному графику Typical Characteristics.
Версию даташита и исходные условия сохраняют для повторной проверки при замене компонента.
Связанные материалы
Рассчитать падение напряжения на диодах
Расчёт суммарного прямого падения на последовательной цепочке диодов и напряжения, которое останется после неё.
Рассчитать потери мощности на диоде
Оценка средних потерь проводимости по току, прямому падению и доле времени, в течение которого диод открыт.
Оценить нагрев диода
Предварительная оценка мощности, повышения температуры и температуры диода по току, VF и тепловому сопротивлению.
Подобрать диодный мост по току и напряжению
Расчёт рекомендуемого тока моста и обратного напряжения с учётом действующего AC-напряжения и заданного запаса.
Рассчитать пульсации после выпрямителя
Оценка частоты и размаха пульсаций после мостового выпрямителя по току нагрузки, частоте сети и ёмкости фильтра.
Подобрать защитный диод для катушки реле
Расчёт минимального импульсного тока и обратного напряжения диода по параметрам катушки и заданным коэффициентам запаса.