2.1.5. Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока
Выпрямление переменного тока — один из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.
Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока.
Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.8, а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС (е}, диод Д и нагрузочный резистор R,„ который можно включать также и в другой провод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее бы называть ее однофазной однотактной, гак как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.
В выпрямителях для питания устройств электроники генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть. Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора т. е. Потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой — резистор с большим сопротивлением.
Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полу периода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе падение напряжения. В течение следующего полу периода напряжение является обратным, тока практически нет. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся пол периода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода — минус.
Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полу синусоиде. Этот же вид в другом масштабе имеет выпрямленное напряжение. Достаточно умножить значения тока на Rн. Чтобы получить кривую напряжения.
Иногда график напряжения ошибочно его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источника переменной ЭДС. На самом же деле это напряжение имеет несинусоидальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полуволн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1 – 2 В.
При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока в цепи практически нет т падение напряжения на резисторе равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Рассмотрим подробнее выпрямленное напряжение (все, что будет показано для него, относится и к выпрямленному току). Из графика на рис. 3.9, б видно, что это напряжение сильно пульсирует.
Рис. 2.5.Постоянная и переменная составляющие
выпрямленного напряжения
Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительность этих полуволн неодинакова, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.
Полезной частью получаемого напряжения является постоянная составляющая или среднее значение, величина которого приближенно составляет 30% максимального значения. Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис. 2.5,6 изображена переменная составляющая. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).
В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью, препятствующие прохождению переменной составляющей в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.
Если фильтр хорошо ослабляет первую гармонику пульсаций, то более высокие гармоники подавляются еще лучше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то практически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники, являющейся главным «врагом».
Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейший метод сглаживания пульсаций - применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки. Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.
Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие 1/(ωС) <<Rн
В течение некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Ем. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку Ян и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждой следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.
Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того, конденсатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения. При отсутствии конденсатора Uср = 0,3 Ем а при наличии конденсатора достаточно большой емкости Uср приближается к Ем и может быть равным (0,80-0,95) Ем и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и Rн, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе Uср к Ем. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. Rн= оо), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Ем.
Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от значения тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямителей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными. При выпрямлении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае потеря напряжения около 1 В на самом диоде не имеет существенного значения. Например, если при выпрямлении напряжения 100 В на диоде теряется 1 В, то КПД получается около 99 % (с учетом других потерь он будет, конечно, несколько ниже).
Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными более экономичны и выделяют при работе меньше теплоты, что очень важно для других элементов, расположенных вблизи. Кроме того, полупроводниковые диоды имеют очень большой срок службы. Но их недостатком является сравнительно невысокое предельное обратное напряжение — несколько сотен вольт, а у высоковольтных вакуумных диодов оно может составлять десятки киловольт.
Диоды применяют в любых выпрямительных схемах. Если сглаживающий фильтр начинается с конденсатора большой емкости, то при включении переменного напряжения на конденсатор проходит импульс тока, часто превышающий допустимое значение прямого тока диода. Для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением в единицы или десятки ом.
В диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока (рис. 2.6). Возникают они по двум причинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения
Рис. 2.6. Импульсы обратного тока диода
получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость п - р-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание неосновных носителей, накопившихся в п- и р-областях. Эти носители во время прохождения прямого тока инжектируют через переход и, не успев рекомбинировать или уйти, накапливаются в п- и р-областях. Практически главную роль играет больший заряд, накопившийся в базовой области.
Например, если концентрация электронов в и-области значительно больше, чем концентрация дырок в р-области, то п-область является эмиттером, а р-область — базой.
Инжекция электронов из п-области в р-область преобладает над инжекцией дырок в обратном направлении. Поэтому электроны накапливаются главным образом в р-области. При обратном напряжении этот заряд рассасывается, т. е. электроны начинают двигаться в обратную сторону — из р-области в п-область. Возникает импульс обратного тока. Чем больше прямой ток, тем сильнее поток инжектированных носителей (электронов в данном примере) и тем больше образованный ими заряд, а следовательно, больше импульс обратного тока. Когда это скопление носителей рассосется и практически окончится заряд барьерной емкости, то останется лишь ничтожно малый обратный ток, который можно не принимать во внимание.
С повышением частоты импульс обратного тока увеличивается. Это объясняется тем, что при более высокой частоте обратное напряжение возрастает быстрее. Следовательно, большим током, т. е. быстрее, происходит заряд барьерной емкости. Иначе говоря, емкостное сопротивление с повышением частоты уменьшается и обратный ток соответственно увеличивается. Рассасывание зарядов, образованных инжектированными носителями, также происходит быстрее, и от этого импульс обратного тока также возрастает.
На низкой частоте импульс обратного тока весьма мал и его длительность во много раз меньше полупериода. А на некоторой высокой частоте импульс обратного тока может иметь примерно такую же амплитуду, как импульс прямого тока, и длится он в течение всего полупериода. Если площадь импульсов прямого и обратного тока будет одинакова, то постоянная составляющая (среднее значение) тока станет равной нулю, т. е. выпрямление прекратится. Практически диоды рекомендуется применять для выпрямления только до такой предельной высокой частоты, при которой постоянная составляющая выпрямленного тока снижается не более чем на 30% по сравнению с ее значением на низкой частоте.