8.2 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод (ПД) – прибор с одним двумя выводами.

p − n

переходом и

Он хорошо пропускает ток одного направления и плохо пропускает ток противоположного направления.

_{Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полу-}

проводникового диода называются прямыми

^I _пр

и обратными

^I _обр

токами,

^{прямыми U} _пр

^{и обратными U} _обр

напряжениями.

На рисунке 8.1 приведено условное изображение полупроводниково- го диода в схемах электрических цепей и его идеализированная вольтам- перная характеристика (ВАХ).

Прямой ток

_{(катоду).}

^I пр

в ПД направлен от одного вывода (анода) к другому

166

Анализ ВАХ ПД позволяет сделать вывод, что ПД – нелинейный элемент и сопротивление его зависит от величины и направления тока.

Так прямое сопротивление ПД составляет обычно не выше несколь-

ких десятков Ом, а обратное сопротивление не ниже нескольких сотен кОм.

Вольтамперная характеристика ПД имеет ярко выраженные три уча-

стка, которые называются прямой (I), обратной (II) ветвями и ветвью ста-

билизации (III).

Полупроводниковые диоды, у которых рабочим участком является участок стабилизации III, называются стабилитронами. Они имеют значи-

тельное обратное сопротивление и применяются в схемах стабилизации напряжения.

^I_пр

I_пр ^{, мА}

A К

II

^Uобр ^{, В}

I

^U_пр ^{, В}

III

^I_обр

, мА

Рисунок 8.1 – Вольтамперная характеристика ПД и его условное обозначение

8.3 Выпрямители на полупроводниковых диодах

Наиболее часто источники постоянного напряжения получают путем преобразования синусоидального (переменного) напряжения в постоянное напряжение.

Устройства, осуществляющие такое преобразование, называются

выпрямителями.

В большинстве случаев для выпрямления переменного напряжения применяются выпрямители на ПД, поскольку они хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Простейшая схема выпрямителя показана на рисунке 8.2,а.

_{В ней последовательно соединены источник переменной ЭДС ( е ),}

диод Д и нагрузочный резистор

^R_н ^{. Эта схема называется однополупери-}

_{одной. Часто ее называют однофазной однотактной, т.к. источник пере-}

167

менной ЭДС является однофазным и ток проходит через него в одном на-

правлении один раз за период (один такт за период).

В качестве источника синусоидальной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рисунок 8.2,б).

Д _Д

^u_Д

^{~e u}_вх

^{R н uвыx u}₁

^u_Д

^u₂ ^{R н}

^uвыx

а) б)

_{Рисунок 8.2 – Схемы выпрямителей на ПД}

_{Графики на рисунке 8.3 иллюстрируют процессы в выпрямителе.}

ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Е_m

_e

(рисунок 8.3,а).

^E_m

а)

^uR^=uвыx

_б)

^u_Д

в)

^U_m ~ ^E_m

t

^Uср

t

_{Um обр ~ Em} ^t

Рисунок 8.3 – Графики напряжений выпрямителя, поясняющие его работу

_{В течение положительного полупериода ЭДС e}

_{напряжение для}

_{диода является прямым, сопротивление его мало, и проходит ток}

_{i , соз-}

дающий на резисторе

^R_н ^{падение напряжения u} _R

^{ u}_вых ^.

_{В течение следующего полупериода напряжение является обратным,}

^{тока практически нет из-за большого сопротивления диода ( R} _Д

^{ R}_н ^{) и}

^u _R ^{ u}_вых

 0 .

168

Таким образом, через диод Д , нагрузочный резистор

^R_н ^{и генератор}

проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют вы-

прямленным током. Он создает на резисторе

^R_н ^{пульсирующее выпрям-}

ленное напряжение, полярность которого: со стороны катода получается плюс, а со стороны анода – минус.

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоян-

ная составляющая, или среднее значение, U _ср , которое за весь период рав-

_но:

_Т

₁ ² _U

^{U ср } _Т

∫ ^{U m sintdt  m}

_

0

^{≈ 0,318U} _m

_{Вычитая из пульсирующего напряжения его среднее значение, полу-}

чим переменную составляющую

^U _~ ^{, которая имеет несинусоидальную}

_{форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая по-}

стоянную составляющую. Полуволны переменной составляющей U _~

_{штрихованы (рисунок 8.3,б).}

за-

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямлен- ного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе и в выход- ном напряжении, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напря- жения применяют сглаживающие фильтры (СФ). Простейшим СФ являет- ся конденсатор большой емкости, через который ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в на- грузку.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость С_ф

_{кова, что выполняется условие:}

та-

¹ _{ R .}

ф

 ⋅ С ^н

При наличии конденсатора большой емкости

^U _ср

^{приближается к U} _m ^и

^{может быть равным (0,8-0,95)U} _m

и даже выше.

Основными электрическими параметрами однополупериодного вы-

_{прямителя являются:}

- средние значения выпрямленного тока и напряжения

^I _ср ^{, U} _ср ^;

- мощность нагрузки

^P_ср

^{ I} _ср ^⋅U _ср ^;

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения

^{~ U} _m ^;

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

_{p } ^{U m} _;

^U _cp

169

_{- действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной об-}

моток трансформатора

^I₁ ^,U₁ ^и

^I ₂ ^,U ₂ ^;

- типовая мощность трансформатора

^S _тр

^{ 0,5(S}₁ ^{ S} ₂ ^{) , где}

^S₁ ^{ U}₁ ^{⋅ I}₁ ^,

^S ₂ ^{ U} ₂ ^{⋅ I} ₂ ^;

- коэффициент полезного действия

_{ }

_Pcp

_,

где

^Pmp

^P_Д

^{( P}_cp ^{ P}_mp ^{ P}_Д ⁾

– потери в трансформаторе;

– потери в диодах.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств малой мощности (электронно- лучевых трубок и др.) допускающих повышенную пульсацию.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рисунок 8.4).

_{Он состоит из трансформатора Тр и четырех диодов}

_{Д1, Д 2, Д 3, Д 4 ,}

_{подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К}

_{одной из диагоналей моста подсоединяется обмотка}

_{Тр , а к другой – на-}

грузочный резистор

поочередно.

R_н . Каждая пара диодов

_u

Д1, Д 3

Д 2, Д 4

и работает

_{Тр а} ²

^Д1 Д2

^R _{н б)}

^U₁ ^U₂

_Uн ^uн

^U_2m

t

^Д4 Д3

_б

^в)

а)

^U_mн ~ ^E_2m

_t

Рисунок 8.4 – Схема (а) и временные диаграммы напряжений мосто-

_{вого двухполупериодного выпрямителя}

Диоды

Д1, Д 3

открыты в I полупериод напряжения

^u₂ ^{. когда потен-}

_{циал точки a}

_{выше потенциала точки в .}

^{В следующий полупериод напряжения u}₂

потенциал точки в

выше

_{потенциала точки a , диоды}

_{Д 2, Д 4 открыты, а диоды}

_{Д1, Д 3 закрыты.}

170

_{В оба полупериода, как видно из рисунка 8.4 ток через нагрузочный}

резистор

^R_н ^{имеет одно и то же направление.}

Выражения для средних значений выпрямленных напряжения и тока имеют вид

2

Т

_{U 1 U}

_sintdt

_{2U 2m ;}

нср

^ _{Т ∫}

_

_

^{2 0}

^{2m } _

_{U нср}

R

^I _нср ^{ .}

н

_{Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых}

значениях параметров трансформаторов и сопротивлений

^R_н ^{мостовой}

выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие пре-

_{имущества:}

- средние значения выпрямленных тока раза больше;

^{- пульсации значительно меньше;}

^I нср

и напряжения U _нср

в два

- частота пульсаций в два раза выше, что уменьшает габариты фильтра.