Каковы различные функции диодов в системах постоянного и переменного тока?

一, Различия в физических механизмах: двунаправленная адаптация однонаправленной проводимости
Основная характеристика диода обусловлена ​​однонаправленной проводимостью PN-перехода: он проводит ток при прямом смещении (с сопротивлением около десятков Ом) и выключается при обратном смещении (с сопротивлением мегаом). Эту функцию необходимо функционально адаптировать с помощью различных методов в системах постоянного и переменного тока.

Система постоянного тока: статическое однонаправленное управление
В системе постоянного тока диоды находятся в стабильном однонаправленном состоянии проводимости или состоянии отсечки. Например, в шине постоянного тока фотоэлектрического инвертора параллельные обратные диоды продолжают проводить ток, когда IGBT выключен, обеспечивая путь свободного хода для тока индуктора. Его сопротивление постоянному току (падение напряжения в прямом направлении около 0,7 В) определяет потери мощности, тогда как время обратного восстановления (обычно наносекундный уровень) оказывает относительно небольшое влияние в сценариях постоянного тока.

Система связи: динамическое переключение циклов
В системах связи диодам необходимо быстро переключать состояние проводимости между положительным и отрицательным полупериодами 50/60 Гц. Если взять в качестве примера мостовую схему выпрямителя, четыре диода проводят ток попеременно, преобразуя мощность переменного тока в пульсирующую мощность постоянного тока. На этом этапе ключевыми параметрами становятся сопротивление диода переменному току (которое меняется в зависимости от частоты) и время обратного восстановления (которое влияет на потери на высоких-частотах). Например, диоды с быстрым восстановлением (обратное время восстановления).<50ns) can reduce conduction losses by 15% in high-frequency switching power supplies.

2, основные функции в системах постоянного тока
1. Защита от полярности и обратная изоляция.
На входном конце источника питания постоянного тока последовательно подключенный диод может предотвратить реверсирование источника питания. При изменении полярности на диод подается обратное напряжение и он отключается, что позволяет избежать последующего повреждения схемы. Например, в автомобильном зарядном устройстве используется диод 1N4007 (обратное выдерживаемое напряжение 1000 В), который может выдерживать переходное высокое напряжение при переворачивании автомобильного аккумулятора.

2. Продолжение потока и выделение энергии.
В цепи индуктивной нагрузки диоды обеспечивают свободный путь для тока дросселя. В драйвере двигателя обратный диод проводит ток, когда IGBT выключен, чтобы предотвратить проникновение обратной электродвижущей силы индуктора в трубку переключателя. Его характеристики обратного восстановления напрямую влияют на эффективность системы: обычные диоды имеют время обратного восстановления около 200 нс, тогда как диоды Шоттки (без процесса обратного восстановления) могут повысить эффективность на 3–5%.

3. Стабилизация напряжения и ограничение напряжения.
Стабилитроны обеспечивают точную регулировку напряжения в системах постоянного тока. Например, стабилитрон на 5,1 В, подключенный параллельно к источнику питания постоянного тока 12 В, может стабилизировать выходное напряжение на уровне 5,1 В ± 5%. Динамическое сопротивление (обычно несколько Ом) определяет точность стабилизации напряжения, а способность рассеиваемой мощности (например, корпус мощностью 1 Вт, 5 Вт) определяет сценарий применения.

3. Основные функции в системах связи.
1. Выпрямление и преобразование формы сигнала
Выпрямление — основная функция диодов в системах переменного тока. В схеме полуволнового выпрямления один диод преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный ток с эффективностью примерно 40,6%; КПД схемы двухполупериодного выпрямления (трансформатор с центральным отводом + два диода) повышен до 81,2%; Мостовая схема выпрямителя (четыре диода) обеспечивает полноволновое выпрямление без необходимости использования центрального отвода, что делает ее основным решением.

2. Обнаружение и демодуляция сигнала.
В беспроводной связи диоды обеспечивают обнаружение высокочастотного-сигнала. Например, в радиоприемниках AM диоды используют однонаправленную проводимость для выделения аудиосигналов, а емкость их перехода (обычно несколько пикофарад) влияет на высокие-частотные характеристики. Поэтому необходимо выбрать специальный диод для обнаружения (например, 1N34A).

3. Приложения преобразования частоты и микширования
В высокочастотных-цепях нелинейные характеристики диодов обеспечивают преобразование частоты. В смесителе двойная балансная структура, состоящая из двух диодов, может смешивать входной сигнал с сигналом гетеродина для генерации сигнала промежуточной частоты. Емкость перехода и последовательное сопротивление определяют эффективность смешивания, поэтому для уменьшения паразитных параметров необходимо использовать диоды для поверхностного монтажа (например, серии HSMS-286x).

4. Сравнение типичных сценариев применения.
Функциональное измерение Применение системы постоянного тока Применение системы переменного тока
Функция защиты: защита от обратной мощности, подавление перенапряжения индуктора, фильтрация электромагнитных помех.
Преобразование энергии фотоэлектрическим элементом, управление MPPT, зарядка аккумулятора, преобразование переменного-постоянного тока, частотно-регулируемый привод
Обработка сигналов, регулирование напряжения, конструкция логических элементов, обнаружение и демодуляция, частотная модуляция
Типичные устройства включают диоды Шоттки, стабилитроны, диоды с быстрым восстановлением и выпрямительные диоды.
5. Режимы отказа и системные эффекты
Отказ системы постоянного тока: риск короткого замыкания и температурного разгона
В системах постоянного тока пробой диода (особенно тепловой пробой) может привести к постоянным коротким замыканиям. Например, пробой обратного диода в фотоэлектрическом инверторе может привести к тому, что напряжение шины постоянного тока будет напрямую подано на коллектор IGBT, что приведет к взрыву модуля. Этот тип неисправности требует двойной защиты с помощью токоограничивающих резисторов (например, 0,1 Ом/5 Вт) и предохранителей.

Отказ системы связи: искажение формы сигнала и паралич системы
В системах связи ухудшение параметров диода (например, увеличение времени обратного восстановления) может вызвать искажение выпрямленной формы сигнала. В драйвере двигателя, когда время обратного восстановления выпрямительного диода увеличивается с 50 нс до 200 нс, гармонические искажения увеличиваются с 3% до 12%, вызывая усиление вибрации двигателя. Этот тип неисправности требует профилактического обслуживания посредством онлайн-мониторинга температуры диодного перехода (инфракрасная термография).