Медленные диоды или удобные таймеры?

Большинство разработчиков считают медлительность диодов недостатком или ограничением. Но почему бы не взглянуть на ситуацию более позитивно? В конце концов, и стабилитрон, и лавинный диод – это не более чем диод с ограниченным напряжением пробоя, а варактор можно рассматривать как диод с большой и нелинейной паразитной емкостью. Аналогично, можно ли рассматривать медлительность диода как свойство или даже особенность? Например, рассмотрим PIN-диод. Мало кто знает, что ключевым свойством PIN-диода действительно является его медлительность; без нее он создавал бы большое количество искажений и требовал бы большего управляющего тока для нормальной работы. Эту способность медленных диодов накапливать большое количество электрического заряда можно использовать во множестве других схем. Рисунок 1 демонстрирует, как, используя такие диоды, можно формировать интервалы мертвого времени. На полумост подается ступенчатый сигнал ШИМ.

Рисунок 1.	Медленные диоды можно использовать для формирования мертвого времени в полумостовой конфигурации.

В классической реализации в схему управления нужно ввести мертвое время, чтобы избежать одновременного включения двух транзисторов, когда коэффициент заполнения приближается к 100%. Это мертвое время является стандартной функцией микросхем ШИМ-контроллеров. Если в качестве D₁ и D₂ используются медленные диоды, мертвое время не понадобится. Если, например, на транзистор Q₁ подается положительный сигнал управления базой или затвором, и транзистор, соответственно, начинает проводить ток, диод D₂ смещается в прямом направлении. Когда полярность управляющего сигнала меняется, на Q₁ немедленно появляется отрицательное смещение, но диод D₂ не может мгновенно закрыться и закорачивает базу Q₂ на все время его обратного восстановления. Преимущество такого способа создания мертвого времени заключается в том, что нужно предусмотреть лишь небольшой запас надежности. Явления, определяющие время восстановления диода, аналогичны тем, от которых зависит время рассасывания в силовых устройствах. В частности, оба имеют большой положительный температурный коэффициент, который эта схема компенсирует. Возможность работы при коэффициентах заполнения, близких к 100%, позволяет лучше использовать силовые компоненты, что приводит к экономии и повышению характеристик схемы. Например, источник питания с универсальным входом может работать при более низких входных напряжениях.

Еще один пример показан на Рисунке 2. Эта стандартная схема фиксации защищает ключевой транзистор обратноходового преобразователя от всплесков напряжения, возникающих из-за неидеальной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. На эквивалентной схеме этот сценарий представлен индуктивностью рассеяния L_F, включенной последовательно с первичной обмоткой. Схема работает следующим образом. Каждый раз, когда транзистор выключается, ток в индуктивности рассеяния продолжает течь, но диод D₁ перехватывает его и «перенаправляет» в конденсатор C₁. Емкость конденсатора C₁ достаточно велика, чтобы колебания от цикла к циклу не оказывали на него влияния. Среднее напряжение на C₁ определяется балансом между зарядом, приходящим от индуктивности рассеяния, и током, отбираемым резистором R₁. Обычно D₁ – это быстрый диод, но если заменить его медленным, происходят интересные вещи: вместо того, чтобы выключаться, когда напряжение на C₁ достигает своего пика, диод продолжает проводить ток, передавая таким образом заряд и энергию от конденсатора C₁ к трансформатору и, в конечном счете, к нагрузке. Поэтому общий КПД выше, а R₁ может иметь более высокое сопротивление и меньшие размеры. В дополнение к более низкой стоимости стандартного диода по сравнению с быстрым, этот метод обеспечивает значительные преимущества.

Рисунок 2.	В этой схеме медленный диод защищает ключевой транзистор от разрушительных переходных напряжений.

Предпочтительно выбирать диод с максимально возможным временем восстановления. Популярные типы, такие как серия 1N400x, имеют время восстановления около 2.5 мкс, но у некоторых моделей оно превышает 5 мкс. C₁ и L_F в идеале должны образовывать резонансный контур с периодом колебаний, равным удвоенному времени восстановления диода. Когда номиналы компонентов близки к оптимальным, сопротивление R₁ может быть большим; его единственная роль заключается в обеспечении «начального» тока для запуска схемы. За эти преимущества приходится платить небольшой штраф. Пиковое напряжение ограничения увеличивается на несколько вольт, потому что к среднему напряжению ограничения нужно добавить положительный полупериод резонансного напряжения, а также потому, что медленные диоды часто имеют несколько худшие характеристики прямого восстановления, чем их быстрые аналоги. Это приводит к скачку в несколько вольт в первой фазе проводящего состояния транзистора.

Обычно эти небольшие неудобства не должны вызывать проблем; компоненты в схеме можно заменить на новые без каких-либо других изменений. Схемы на Рисунках 1 и 2 – это только два примера, но те же полезные принципы можно применить к множеству других схем.