Основы_электротехники

венных зарядов на рис. 6.8 расположены между штрихпунктирными линиями).

Электрическое поле этих зарядов препятствуют движению свободных носителей, и при достижении полем определенного значения ток диффузии прекратится, а между анодом А и катодом К диода возникнет разность потенциалов, нарастающая от анода к катоду (нижняя часть рис. 6.8).

Если на полупроводниковую структуру (на диод) подать напряжение от внешнего источника плюсом к n-полупро- воднику, а минусом к p-полупроводнику (рис. 6.9), то электроны будут смещаться вправо к положительному полюсу источника, а дырки – влево к отрицательному полюсу источника. Слои пространственного заряда расширятся, и через p-n-переход будет проходить небольшой обратный ток Iобр, обусловленный неосновными носителями заряда.

130

Если полярность источника поменять (рис. 6.10), то под действием полюсов источника дырки p-полупроводника будут двигаться вправо к p-n-переходу, а электроны n-полупроводника влево к p-n-переходу. Область пространственных зарядов сузится до нуля, и через p-n-переход будет проходить значительный прямой ток Iпр.

Область пространственных зарядов называется p-n-пере- ходом и определяет свойства полупроводникового диода, а также вид его вольт-амперной характеристики (ВАХ), приведенной на рис. 6.11. ВАХ имеет нелинейный характер и две ветви: прямую ветвь 1 и обратную ветвь 2.

Рис. 6.11

Из ВАХ диода видно, что он проводит ток в прямом направлении от анода к катоду (прямая ветвь 1 ВАХ на рис. 6.11) и практически не проводит ток в обратном направлении (обратная ветвь 2 ВАХ на рис. 6.11). Стрелка на условном графическом обозначении диода (рис. 6.10) показывает направление его прямого тока.

131

Вентильные свойства диодов широко используются в выпрямителях. Особенностью полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры увеличивается число неосновных носителей, поэтому возрастает обратный ток диода Iобр, а допустимое обратное напряжение Uобр уменьшается (рис. 6.12).

Рис. 6.12

Основными параметрами диода являются: максимальный прямой ток Iпр.max, максимальное прямое напряжение Uпр.max, максимальное обратное напряжение Uобр.max, максимальный об-

ратный ток Iобр.max. Если по модулю Uобр.> Uобр.max, то p-n- переход пробивается, обратный ток Iобр резко возрастает (штрих-

пунктирная линия на обратной ветви ВАХ) и диод выходит из строя.

Параметры различных типов выпрямительных диодов могут принимать следующие значения:

Iпр.max = 0,1–1000 А;

Uпр.max = 0,5–0,7 В;

Iобр.max = 1,0–20 мкА;

Uобр.max =100–1000 В.

132

6.3. Однофазные выпрямители

Выпрямителями называют электрические устройства, предназначенные для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.

Выпрямители подразделяются на однофазные и трехфаз-

ные, однополупериодные и двухполупериодные. Схемы выпрями-

телей приведены на рис. 6.13, где приняты следующие обозна-

чения: а) однополупериодный выпрямитель; б) двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки трансформатора; в) мостовой выпрямитель; Тр – трансформатор; U1 –

напряжение первичной обмотки трансформатора; U2 и U2’– напряжения вторичных обмоток трансформатора; VD, VD1–VD4 – диоды; RН – сопротивление нагрузки; С – конденсатор емкостного фильтра.

Рис. 6.13

Чаще других применяются однофазные выпрямители. Рассмотрим принципы действия выпрямителей.

133

В однополупериодном выпрямителе (рис. 6.13а) положи-

тельная полуволна напряжения (на рис. 6.14 отмечена символом «+») проходит через диод VD и выделяется на сопротивлении нагрузки Rн в виде напряжения нагрузки UН; при этом ток нагрузки Iн проходит через диод в прямом направлении по цепи «а–VD–Rн–b». Отрицательная полуволна напряжения (на рис. 6.14 отмечена символом «–») не проходит на нагрузку, так как ток не может проходить через диод в обратном направлении (по цепи «b–Rн–V–а»). Иначе говоря, в течение периода T (рис. 6.14) на нагрузку проходит только один положительный полупериод напряжения u2, поэтому выпрямитель называется

однополупериодным.

Достоинствами однополупериодного выпрямителя являются использование в схеме только одного диода и возможность работы без трансформатора в случае, когда выпрямленное напряжение равно амплитуде входного напряжения u1.

Недостатком этого выпрямителя является подмагничивание сердечника трансформатора постоянным выпрямленным током нагрузки iН, который проходит через вторичную обмотку трансформатора в одном направлении, что приводит к необходимости увеличивать сечение сердечника, а следовательно, габариты, массу и стоимость трансформатора.

Другим недостатком является высокий уровень пульсаций выпрямленного напряжения относительно его среднего значе-

ния Uср (рис. 6.15а).

Для снижения пульсаций в схеме часто применяют фильтр в виде конденсатора с емкостью С; при этом на участке ab кривой uН, соответствующей С = 10 мкФ (рис. 6.15б) конденсатор быстро (со скоростью изменения напряжения u2) заряжается током трансформатора до амплитудного значения u2, а на участке bc – медленно разряжается через сопротивление нагрузки Rн. Скорость разряда уменьшается с увеличением значения емкости С (кривая uН для С = 20 мкФ на рис. 6.15б). Соответственно уменьшается амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения, а его среднее значение Uср увеличивается. При больших значениях емкости фильтра значение выпрямленного напряжения будет примерно равно амплитуде напряжения u2.

134

В мостовой схеме двухполупериодного выпрямителя

(рис. 6.13в) на сопротивление нагрузки в течение периода колебаний Т приходят две полуволны напряжения u2, поэтому выпрямитель называется двухполупериодным.

Рис. 6.14 Рис. 6.15

Действительно, при положительной полуволне u2 ток нагрузки iН проходит по цепи «а–с–VD3–Rн–VD2–b». Падение напряжения на диодах пренебрежимо мало (менее 1 В), поэтому практически все напряжение u2 оказывается приложенным к сопротивлению нагрузки Rн. При отрицательной полуволне напряжения u2 ток нагрузки iН проходит по цепи «b–f–VD4–Rн– VD1–c–а» через сопротивление Rн в том же направлении и снова все напряжение u2 оказывается приложенным к сопротивлению нагрузки Rн. Следовательно, в формировании выпрямленного напряжения uН (рис. 6.16) участвуют две полуволны периода T напряжения u2, поэтому выпрямитель называется двухполупериодным.

Так как для двухполупериодного выпрямителя время разряда конденсатора С через сопротивление нагрузки Rн (участок ab на рис. 6.17а) и время заряда конденсатора (участок bd на рис. 6.17а) уменьшатся примерно в два раза по сравнению однополупериодным выпрямителем (участок aс на рис. 6.17а), ам-

135

плитуда пульсаций тоже уменьшится в два раза, а частота пульсаций увеличится в два раза.

Отметим, что на рис. 6.17 время выхода напряжения uН на стационарный режим условно показано отрезком 0-а, который занимает лишь часть полуволны напряжения u2. Однако реальное время выхода на стационарный режим, равное времени заряда конденсатора фильтра до среднего выпрямленного напряжения Uср, составляет (в зависимости от значения емкости С) единицы – десятки секунд, что соответствует сотням – тысячам периодов колебания напряжения u2.

Достоинствами мостовой схемы выпрямителя являются:

1)отсутствие подмагничивания сердечника трансформато-

ра, так как ток iН проходит через вторичную обмотку периодически в разных направлениях, что приведет к меньшему сечению сердечника, габаритов, массы и стоимости трансформатора;

2)амплитуда пульсаций меньше (рис. 6.16), чем у однополупериодного выпрямителя;

3)частота пульсаций в два раза больше, чем у однополупериодного выпрямителя, что позволяет уменьшить емкость фильтра, а следовательно, и его стоимость;

4)возможность работы без трансформатора в случае, когда выпрямленное напряжение равно амплитуде входного напряже-

ния u1;

5) значение обратного напряжения на диодах в два раза меньше, чем у однополупериодного выпрямителя.

Недостатком мостовой схемы выпрямителя является использование четырех диодов.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки трансформатора (рис. 6.13б) по параметрам приближается к выпрямителю с мостовой схемой выпрямления. Формы выпрямленного напряжения у него такие же, как на рис. 6.16 и 6.17.

При положительной полуволне u2 ток нагрузки iН этого выпрямителя проходит через Rн по цепи «а–VD1–Rн–b», и все напряжение u2 оказывается приложенным к сопротивлению нагрузки Rн. При отрицательной полуволне напряжения u2 ток нагрузки iН проходит через Rн по цепи «с–VD2–Rн–b» в том же

136

направлении, и снова все напряжение u2 оказывается приложенным к сопротивлению нагрузки Rн. В данном выпрямителе обе полуволны периода колебаний напряжения u2 участвуют в формировании выпрямленного напряжения uН (рис. 6.16), поэтому он называется двухполупериодным.

Достоинства выпрямителя с выводом средней точки трансформатора такие же, как первые три у двухполупериодного выпрямителя с мостовой схемой. Кроме того, он имеет два диода, а не четыре, как у мостового выпрямителя.

К недостаткам этого выпрямителя по сравнению с мостовым относятся:

1)невозможность работы без трансформатора, так как для его работы требуется два противофазных напряжения u2 u′2;

2)обратное напряжение на диодах в два раза больше, чем у мостового выпрямителя, и такое же как у однополупериодного выпрямителя;

3)трансформатор будет несколько дороже, так как имеет две вторичных обмотки, на создание которых требуется больше медного провода.

При выборе выпрямителя для конкретной задачи следует иметь в виду следующие обстоятельства:

137

1)габариты, масса и стоимость маломощного однофазного трансформатора (с полной мощностью менее 100 ВА) в десятки – сотни раз больше габаритов, массы и стоимости полупроводникового диода;

2)габариты, масса и стоимость диода растет с увеличением максимального значения прямого тока и максимально допустимого значения обратного напряжения;

3)габариты и стоимость конденсатора в два и более раз больше габаритов и стоимости диода.

Отсюда в частности следует, что стоимость однополупериодного выпрямителя с теми же выходными параметрами будет в несколько раз больше стоимости мостового выпрямителя.

6.4. Трехфазные выпрямители

Трехфазные выпрямители подключаются к трехфазным трансформаторам. Они также, как и однофазные выпрямители, могут быть однополупериодныи и двухполупериодными; при этом пульсации в двухполупериодных выпрямителях меньше, чем в однополупериодных. Для уменьшения пульсации также используются емкостные фильтры.

Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя, в

котором трансформатор включен по схеме «звезда», приведена на рис. 6.18.

Рис. 6.18

138

Со вторичных обмоток трансформатора Тр снимаются фазные напряжения Ua , Ub , Uc , которые подаются на три диода

VD1 , VD2 , VD3 и далее на сопротивление нагрузки RН.

Из временной диаграммы (рис. 6.19а) видно, что напряжения Ua , Ub , Uc накладываются друг на друга.

а

б

Рис. 6.19

На интервале времени 1–2 наибольшим положительным напряжением является U a , поэтому ток нагрузки проходит че-

рез сопротивление нагрузки RН по цепи « a VD1 RÍ n ». На интервале времени 2–3 наибольшим положительным напряжением является Ub , поэтому ток нагрузки проходит через RН по цепи «b–VD2–RН–n». На интервале времени 3–4 наибольшим положительным напряжением является Uc , поэтому ток нагрузки про-

ходит через RН по цепи «с–VD2–RН–n».

Таким образом, на разных интервалах времени 1–2, 2–3, 3–4 и т.д. действуют поочередно только положительные полуволны 1, 2, 3 и т.д. (рис. 6.19б) фазных напряжений Ua , Ub , Uc , по-

этому выпрямитель называется однополупериодным.

Среднее выпрямленное напряжение на сопротивлении нагрузки Uср и частота пульсаций в трехфазном однополупериод-

139