2.4.4. Основні області використання діодів

Основним призначенням діода є випростування змінної напруги. Процес випростування полягає в перетворенні енергії змінного струму певної частоти в енергію постійного струму. При цьому використовується властивість діода пропускати струм в той час, коли до анода прикладена додатна напруга, а до катода – від`ємна, і не пропускати його при іншій полярності прикладеної напруги (див. рис. 2.22). Для малопотужних навантажень використовуються різноманітні схеми однофазних випрямлячів.

2.4.4.1. Напівперіодний випрямляч. Напівперіодний випрямляч є найпростішою схемою (рис. 2.24, а), який складається лише із силового

Р ис. 2.24 – Схема напівперіодного випрямляча (а) та часові діаграми його роботи (б)

трансформатора Т та випрямного діода VD, послідовно з яким увімкнено навантаження R_H. З допомогою трансформатора Т вхідна напруга u₁ перетворюється у вторинну напругу u₂ потрібного споживачеві значення. Завдяки послідовному увімкненню вторинної обмотки трансформатора Т, діода VD та навантаження випрямлений струм i_d та струм діода i_V співпадають i_V=i_d, а випрямлена напруга u_d і струм i_d протікають лише на протязі одного півперіоду, в той час як до анода діода прикладена додатна напруга (рис. 2.24, б). Максимальне значення зворотної напруги U_зв дорівнює амплітудному значенню вторинної напруги трансформатора U_зв=U_2m. Середнє значення випрямленої напруги становить

, (2.56)

де U_dm – амплітудне значення випрямленої напруги.

Коефіцієнт пульсацій за основною гармонікою

, (2.57)

де U_dm.o=U_dm/2 – амплітудне значення напруги основної гармоніки випрямленого струму.

Значно зменшити коефіцієнт пульсацій випрямленого струму до значень К_п.о=0,67 дають змогу схеми двопівперіодного випрямлення – з нульовим виводом та мостові.

2.4.4.2. Двопівперіодний випрямляч з нульовим виводом. Двопівперіодний випрямляч з нульовим виводом містить трансформатор Т, у вторинній обвитці якого є удвічі більше витків та середній вивід, два діоди VD1, VD2 та навантаження R_H (рис. 2.25, а). Для додатної полярності прикладеної напруги u₂ діод VD1 відкритий і через навантаження протікає струм в напрямку до середнього виводу вторинної обвитки, а до діода VD2 прикладається зворотна напруга U_22m=U_21m=U_2m/2, де U_2m – амплітудне значення вторинної напруги u₂ (рис. 2.25, б). При від`ємній полярності вторинної напруги u₂ діод VD2 відкритий і через навантаження протікає струм в тому ж напрямку, що й при додатній полярності напруги (до середнього виводу вторинної обвитки), а до діода VD1 прикладається зворотна напруга U_21m=U_22m=U_2m/2.

Р ис. 2.25 – Схема (а) та часові діаграми роботи двопівперіодного випрямляча з нульовим виводом

Середнє значення випрямленої напруги становить

. (2.58)

Основним недоліком такої схеми є використання спеціального трансформатора та додаткові втрати в ньому через несинусоїдність вторинних струмів.

2.4.4.3. Випрямляч за мостовою схемою. Випрямляч за мостовою схемою найчастіше використовується на практиці, оскільки в ньому усунені недоліки обох вище поданих схем. Він складається із трансформатора Т, чотирьох діодів, включених за схемою електричного моста VD1-VD4 та навантаження R_H (рис. 2.26, а). Для додатної півхвилі вихідної напруги трансформатора u₂ відкриті діоди VD1 і VD4 (відповідно діоди VD3 і VD2 закриті) і через навантаження R_H протікає струм (зверху донизу за рис. 2.26). Для від`ємної півхвилі вихідної напруги трансформатора u₂ відкриті діоди VD2 і VD3 (відповідно діоди VD1 і VD4 закриті) і через навантаження R_H протікає струм у тому ж напрямку що й для додатної півхвилі (зверху донизу за рис. 2.26). Отже, для обох півхвиль вхідної напруги струм навантаження протікає в одному напрямку (рис. 2.26, б). Середнє значення випрямленої напруги визначатиметься співвідношенням (2.58). Струм пари відкритих діодів є наполовину меншим від струму наванта-

Р ис. 2.26 – Схема (а) та часові діаграми роботи (б) мостового випрямляча

ження, а прикладена до пари закритих діодів зворотна напруга дорівнює максимальному значенню прикладеної напруги (рис. 2.26, б).

2.4.4.4. Фільтри випрямлячів. Для згладжування пульсацій випрямленого струму застосовують ємнісні, індуктивні та індуктивно-ємнісні фільтри (рис. 2.27). Таке згладжування відбувається завдяки великій сталій часу фільтра. Ємнісний фільтр вмикається паралельно до навантаження і його опір для змінної складової повинен бути набагато меншим від опору навантаження <<R_Н (рис. 2.27, а). Індуктивний фільтр вмикається послідовно із навантаженням і його опір повинен бути набагато більшим від опору навантаження Х_ф=2πfL_ф>>R_Н

Р ис. 2.27 – Схеми ємнісного (а), індуктивного (б) та індуктивно-ємнісного (в) фільтрів

(рис. 2.27, б). Ефективність роботи фільтра оцінюють за коефіцієнтом згладжування q, який дорівнює відношенню коефіцієнта пульсацій на вході і виході фільтра. Для ємнісного фільтра коефіцієнт згладжування визначатиметься співвідношенням , для індуктивного - і для індуктивно-ємнісного - .

2.4.4.5. Трифазні випрямлячі. Трифазні випрямлячі використовуються як джерела постійного струму середньої та великої потужностей. Основною особливістю їх роботи є відкривання того діода, потенціал анода якого в даний момент часу є найбільшим. Це забезпечує тривалість відкритого стану діода 60 електричних градусів протягом періоду, внаслідок чого суттєво зменшуються пульсації вихідної випрямленої напруги. На практиці переважно використовуються трифазна схема з нульовим виводом та трифазна мостова.

Трифазна схема з нульовим виводом містить трифазний трансформатор Т, три випрямних діоди VD1-VD3 та навантаження R_H.(рис. 2.28, а). В момент часу t₁ на аноді діода VD1 є найбільший додатний потенціал, він відкритий і через нього проходить струм від обвитки фази «а» через діод VD1 і навантаження R_H протягом частини π/3 періоду напруги живлення до моменту часу t₂, коли він закривається і одночасно відкривається діод VD2, оскільки в цей момент потенціал фази «б» є найвищим.

Р ис. 2.28 – Схема (а) та часові діаграми роботи (б) трифазного випрямляча з нульовим виводом

Середнє значення випрямленої напруги знаходять за співвідношенням

, (2.59)

де - амплітудне значення фазної напруги.

Максимальне значення зворотної напруги буде рівне

. (2.60)

Коефіцієнт пульсацій цієї схеми становить 0,25, що забезпечує значне згладження пульсацій випрямленої напруги. Випрямлячі за такою схемою використовуються для потужних навантажень зі струмами понад 100 А. До недоліків такого випрямляча слід віднести підмагнічування осердя постійним струмом, що знижує коефіцієнт корисної дії.

Т рифазний мостовий випрямляч (2.29, а) містить анодну VD1-VD3 та

Рис. 2.29 – Схема (а) та часові діаграми роботи (б) трифазного мостового випрямляча

катодну VD4-VD6 групи діодів. Почерговість роботи діодів визначається як додатними (анодна група), так і від`ємними (катодна група) півхвилями вихідної напруги трансформатора Т (рис. 2.29, б). Тривалість відкритого стану кожного з діодів становить 60 електричних градусів. Протягом інтервалу часу t<sub>1</sub>-t<sub>2</sub> струм проходить від обвитки фази «а» через діод VD1, опір навантаження R<sub>H</sub>, діод VD5, обвитка фази «б». В момент часу t<sub>2</sub> відбувається закривання діода VD5 і відкривання діода VD6 і струм проходить шляхом обвитка фази «а», діод VD1, опір навантаження R<sub>H</sub>, діод VD6, обвитка фази «с». Отже струм у навантаження завжди протікає в одному напрямі, а використання від`ємних пів синусоїд дає змогу зменшити значення коефіцієнта згладження пульсацій до К_П=0,057.

Середнє значення випрямленої напруги удвічі більше, ніж у схемі з нульовим виводом і становить

, (2.61)

де U_2л, U_2ф – відповідно лінійна та фазна напруги трифазної системи.

Максимальне значення зворотної напруги дорівнює амплітудному значенню лінійної напруги

. (2.62)

2 .4.4.6. Стабілізатори напруги (джерела опорної напруги). На основі напівпровідникових стабілітронів будуються стабілізатори напруги (джерела опорної напруги) (рис. 2.30, б). Вони є перспективними мірами напруги, позбавленими експлуатаційних недоліків нормальних елементів при задовільній стабільності напруги. Стабілітрон є напівпровідниковим діодом,

а) б) в)

Рис. 2.30 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона та схема параметричного стабілізатора

який увімкнений у зворотному напрямі. При певному значенні зворотної напруги U_ст – напруги стабілізації, виникає відновлювальний електричний пробій р–n переходу, що практично унеможливлює подальше зростання зворотної напруги. На рис. 2.30 наведені вольт-амперна характеристика стабілітрона та найпростіша схема міри напруги на його базі – схема параметричного стабілізатора.

Як видно із рис. 2.30, а, при досягненні певного мінімального значення струму І_ст.min у зворотно зміщеному p-n переході виникає відновлювальний електричний пробій і напруга на ньому практично не змінюється при збільшенні струму до максимального значення І_ст.max. При струмах понад І_ст.max виникає незворотний тепловий пробій і стабілітрон виходить з ладу, тому на практиці струм через стабілітрон не повинен перевищувати І_ст.max. Струми І_ст.min та І_ст.max нормуються для конкретних типів стабілітронів і знаходяться в границях від 3 до 100 мА. Крім цього, для них нормується значення номінальної напруги стабілізації U_ст.н при номінальному струмі стабілізації, її допустимий розкид від зразка до зразка, температурний коефіцієнт напруги (ТКН) стабілізації, її часовий дрейф, динамічний опір R_д= , (тут U_ст1, U_ст2 – напруга на стабілітроні при струмі через нього, відповідно, І_ст1, І_ст2 в границях від І_ст.min до І_ст.max).

Найпростішою мірою напруги на основі стабілітрона є параметричний стабілізатор (рис. 2.30, б), схема заміщення якого наведена на рис. 2.30, в.

Вихідна напруга параметричного стабілізатора визначається як:

, вихідний опір R_вих .

Оскільки , то коефіцієнт стабілізації вихідної напруги К_ст дорівнюватиме .

Як видно із поданих вище співвідношень, за умови, що баластний опір R_б є набагато більшим за динамічний опір R_д стабілітрона (R_б>>R_д), основні метрологічні характеристики параметричного стабілізатора практично визначатимуться характеристиками стабілітрона , , .

Не важко також оцінити, що коефіцієнт впливу нестабільності напруги стабілізації стабілітрона на вихідну напругу стабілізатора за умови R_н>>R_д буде близьким до одиниці .

Наведені вище співвідношення для вихідних характеристик параметричного стабілізатора будуть виконуватись і при його роботі під навантаженням за умови, що опір навантаження R_н, увімкнений до виходу стабілізатора, буде значно більшим за динамічний опір стабілітрона, тобто R_н>>R_д.

Отже, для досягнення високих метрологічних характеристик параметричних стабілізаторів вибирають стабілітрони з найменшим динамічним опором, забезпечують режим роботи близький до неробочого ходу (R_н>>R_д) та збільшують опір баластного резистора, а отже, і збільшують напругу живлення. Збільшення останньої обмежене, здебільшого, енергетичними показниками та прийнятим (стандартним) рядом її значень. Через технологічні обмеження сучасної мікроелектроніки не вдається зменшити динамічний опір до значень, менших від декількох десятків Ом. Тому для побудови прецизійних мір використовують ряд схемотехнічних прийомів: мостові стабілізатори, метод усереднення, стабілізацію струму живлення. Для усунення впливу ТКН стабілітронів застосовують активне термостатування. Як термостат, здебільшого, використовується цілий напівпровідниковий кристал, на якому розміщується схема стабілізатора, регулятор температури та нагрівач.

Основними характеристиками стабілітронів є номінальна напруга стабілізації (від 3,9 до 180 В) при номінальному струмі стабілізації (від 3 до 100 мА), розкид напруги стабілізації від зразка до зразка (не більший, ніж 15 %), динамічний опір (від 18 до 200 Ом), температурний коефіцієнт напруги (від 0,001 до 0,1 %/К), часовий дрейф (від 3 до 150 мВ/1000 год), робочий діапазон температур (від –40 до +100 °С).

Незважаючи на ряд суттєвих переваг мір напруги на базі стабілітронів, останні не змогли повністю замінити нормальних елементів через більший рівень вихідної шумової напруги (2…30 мкВ), неповторюваність значень напруги U_ст (в границях до 100 мкВ) при повторних включеннях напруги живлення, значну незворотну часову зміну напруги U_cт, особливо у початковий період експлуатації, прояви в деяких зразках явища гістерезису. Тому для використання в прецизійних мірах напруги застосовують спеціальні методики прискореного старіння стабілітронів з метою усунення вказаних недоліків, що суттєво підвищує їх вартість. Порівняно із мірами напруги на базі нормальних елементів при однаковій точності міри напруги на базі стабілітронів потрібно частіше повіряти (найточніші приблизно один раз на три місяці експлуатації). Принциповим недоліком стабілітронів, які обмежують подальші можливості покращення їх метрологічних характеристик, є можливий поверхневий пробій p-n переходу, зумовлений забрудненістю його поверхні та наявності на ній зарядів. Якщо якісне очищення поверхні p-n переходів є складною, але технічно розв’язуваною задачею, то поверхневий заряд p-n переходів може змінюватись і від зовнішніх електромагнітних джерел, тобто може бути непрогнозованим.