Почему нагреваются диоды и диодные мосты (выпрямители тока), причины нагрева и что с этим делать

 

Как известно диоды являются полупроводниками, способны пропускать ток только в одном направлении. При прямом включении диода к источнику питания (плюс питания подключается к плюсу, аноду, диода, а минус питания к минусу, катоду, диода) этот полупроводник переходит в открытое состояние и через него может протекать ток. При этом на диоде образуется некоторое падение напряжения (где-то от 0,6 до 1,2 вольта) и с увеличением напряжения питания будет только увеличиваться ток, проходящий через полупроводник. При обратном включении диода (минус питания к плюсу диода и плюс питания к минусу диода) данный полупроводник будет находится в закрытом состоянии. Через него не будет протекать ток, а величина напряжения, которая на нем осядет, будет равна приложенному к нему напряжению.

Нагрев различных электрических элементов, в том числе и диодов, диодных мостов, напрямую связан с количеством тока, который проходит через них. Чем его больше, тем больше и нагрев. При маленьких токах нагрев настолько мал, что его даже незаметно. С увеличением тока и количеством выделяемого тепла температура постепенно увеличивается. Стоит учесть, что это тепло рассеивается через сам корпус компонента, и чем больше по объему этот компонент, тем больше и рассеивание тепла. Но уже при каком-то значительном количестве тока тепла становится настолько много, что оно уже не успевает рассеиваться. Естественно, происходит увеличение температуры компонента, в нашем случае это диод и диодный мост.

Стоит взять во внимание, что большинство нынешних полупроводников, в том числе и диодов, сделаны и кремния. А кристаллы кремния начинают безвозвратно разрушаться от температуры порядка 150-180 градусов по цельсию. Следовательно, когда нагрев диодов дойдет до этих температур они просто сгорят в результате теплового пробоя. Температуры близкие к критическим также негативно влияют на работу полупроводников, как минимум у них ухудшаются имеющиеся характеристики, а то и вовсе такие диоды могут иметь крайне малый срок службы. Максимальными температурами, при которых еще допустимо нормальное использование кремниевых полупроводников можно считать примерно до 60-80 °C.

Теперь по поводу зависимости электрической мощности, что оседает на диоде (полупроводнике) и выделяемого тепла. Выше я упомянул, что чем больше ток протекает через полупроводник, тем больше его нагрев. Это так, но еще нужно учитывать и падение напряжение, которое образовывается на компоненте. Простой пример, если взять одинаковые по своему объему два куска провода, у одного из которых будет большое сечение, но малая длина, и второй кусок провода, содержащий значительно большую длину с меньшим сечением. То есть, по массе и общему объему проводящего материала они будут одинаковы, но по внутреннему сопротивлению они будут различны (где толще сечение и меньше длина сопротивление будет меньше, чем у второго куска). И когда мы эти куски провода поставим между источником питания и какой-нибудь нагрузкой, то заметим, что через, как первый, так и второй кусок будет проходить один и тот же ток (одинаковая величина), а вот падение напряжения будет на них разное. На куске с большим сопротивлением (где большая длина и тоньше провод) будет оседать больше напряжения.

Электрическая мощность равна напряжение умножить на силу тока. И получается, что на куске провода с большим падением напряжения будет оседать большая электрическая мощность. А чем больше мощность, тем большее количество тепла будет выделяться. Проще говоря. И говоря о диодах и выпрямителях можно подытожить, что те полупроводники, на которых происходит большее падение напряжения, при их прямом включении, будут иметь большее тепловыделение, чем те, у которых оно меньше, при одном и том же токе.

Сила тока, которая протекает через диод, диодный мост выпрямитель зависит от мощности нагрузки. Чем меньше сопротивление этой нагрузки и больше ее мощность, тем и сила тока в цепи будет больше. Каждый диод, диодный мост имеет свою максимальную величину, как обратного напряжения, так и прямого тока (тока при прямом включении полупроводника). Протекание тока большей величины, чем это максимальное значение, чревато тепловым пробоем компонента. И, естественно, использовать диоды в своих схемах нужно с токовым запасом. То есть, чтобы в своем номинальном режиме диод или диодный мост работал не на пределе своих возможностей, а имел хотя бы 25% запас (как по току, так и по обратному напряжению), а то и больше.

Мощные диоды и диодные мосты при их эксплуатации на максимальных токах изначально рассчитаны на работу с радиатором, отводящими излишки тепла от полупроводников, улучшающие его рассеивание. Если их использовать на малых токах, то можно обойтись и без радиатора. Чтобы снизить имеющийся излишний нагрев диодов либо выпрямителей можно делать параллельное подключение одинаковых компонентов. То есть, при таком подключении будет увеличен как общий объем детали, что увеличивает рассеивание тепла, так и снизит падение напряжения при прямом включении компонентов.

Каковы причины чрезмерного нагрева диодов и диодных мостов? Ну если полупроводники не используются в режиме перегрузки, которая вызвана слишком большой нагрузкой, то возможно они могут нагреваться от соседних компонентов. Условием для излишнего нагрева полупроводников будет чрезмерная электрическая мощность, которая оседает на элементах. Возможно произошел частичных пробой полупроводника и его внутреннее сопротивление при прямом включении увеличилось. Естественно, на нем будет большее падение напряжения, что ведет к увеличенному тепловыделению. В этом случае полупроводник нужно проверить на имеющееся падение напряжения при прямом включении, и если оно не соответствует норме произвести замену компонента.

P.S. Старайтесь подбирать электронные компоненты для своих схем с неким запасом по их характеристикам. В случае с диодами и диодными мостами нужно иметь хотя бы 25% запас как по прямому току, так и по обратному напряжению. 25%, это как минимум, а лучше 50% или 100%. По стоимости этот запас вам обойдется не так уж и дорого, но зато вы свои схемы обезопасите от случайных тепловых и электрических пробоев, возникающих в полупроводниковых компонентах.

Источник - https://electrohobby.ru/poch-greut-diod-most-ptt.html