Устройство полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n - переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура представлены на рис. 2а. Электрод диода, подключенный к области P, называют анодом, а электрод, подключенный к области N - катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n - переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением.

При большом токе через p-n - переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. ВАХ выпрямительного диода имеет вид:

, (5)

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называется последовательным сопротивлением.

Следует отметить, что на показанной статической ВАХ (рис. 2б) масштаб первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего, т.к. обратный ток диода несоизмеримо мал по сравнению с прямым. Поэтому, если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока сольется с осью .

2 Полупроводниковые выпрямители

Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 3а) является простейшей из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток трансформато­ра равны нулю.

Рис. 3. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (а),

и основные диаграммы (б)

В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VD потенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке и в ней возникнет ток (рис. 3б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет относительно катода отрицательный потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную составляющую в пределах периода, можно найти из следующего равенства (см. рис. 3б):

. (6)

Если напряжение изменяется по синусоидаль­ному закону , то

. (7)

Заменив амплитудное значение напряжения его действующим значением ( ), получим:

. (8)

Отсюда:

, (9)

т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное на­пряжение на нагрузке. Постоянную составляющую вы­прямленного тока можно подсчитать по формуле:

. (10)

Обычно значение напряжения , так же как тока, задается при расчете выпрямителя.

Если напряжение сети известно, то коэффици­ент трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения заданного напряжения на нагруз­ке, должен быть равен

. (11)

Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной об­мотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называе­мая обратным напряжением , равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора , т. е.

(12)

Таким образом, максимальное обратное напря­жение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

При проектировании однополупериодных выпря­мителей важно правильно выбрать тип диода, кото­рый удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основании следующих соображений:

• диод должен обладать определенной электрической прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:

, (13)

где - максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.

Если неравенство (13) не выполняется, необходи­мо либо взять диод с более высоким допустимым обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов последовательно.

• Во-вторых, допустимый ток диода должен превы­шать величину . Поэтому необходимо, чтобы

. (14)

Если неравенство (14) не выполняется, то необхо­димо подобрать диод с более высоким значением или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.

Из рис. 3б видно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды и частоты. Постоянная составляющая , т.е. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, была опре­делена ранее (8). Из переменных составляю­щих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно доказать, что для однополупериодной схемы ампли­туда первой гармоники:

. (15)

Частота первой гармоники равна частоте сети так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.

Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций:

. (16)

Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с учетом (15):

, (16)

т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.

По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая тока нагрузки . Она подмагничивает сердечник трансформатора. В стали трансформатора возникают потери, увеличивается ток холостого хода трансформатора и снижается КПД всего устройства.

Для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали трансформатора приходится увеличивать сече­ние его сердечника. Это увеличивает габариты и массу всего выпрямителя.

Постоянная составляющая тока в отличие от переменных не трансформируется в первичную об­мотку трансформатора, поэтому для определения величины и формы тока в первичной обмотке нужно вычесть из тока вторичной обмотки постоянную составляющую и мгновенные значения тока изме­нить в п раз:

, (17)

или

, (18)

где п - коэффициент трансформации.

Из (10) находится амплитуда тока вторич­ной обмотки , поэтому:

, (19)

ток первичной обмотки несинусоидален.

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле:

. (20)

При определении мощности трансформатора не­обходимо учитывать не только постоянные, но и переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность называется габаритной и определяется действующими значениями тока и напряжения:

, (21)

где - габаритные мощности вторичной и первичной обмотки трансформатора.

В однополупериодной схеме выпрямления габа­ритная мощность вторичной обмотки больше, чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки, следовательно, габаритная мощность трансформатора также возрастает. Это является недостатком однополупериодной схемы выпрямления.

Коэффициентом использования трансформатора называется отношение полезной мощности выпрямителя к габаритной мощности трансформатора:

. (22)

Большой коэффициент пульсации, большие разме­ры трансформатора вследствие плохого использова­ния его обмоток, большое обратное напряжение на диод ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на ее простоту.

Двухполупериодные выпрямители.

Д вухполупериодные схемы выпрямления бывают двух типов, схема c выведенной средней точкой вторичной обмотки трансформатора и мостовая схема.

а б

Рис. 4. Двухполупериодная схема с выводом средней точки (а)

и основные диаграммы (б)

Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рис. 4а) состоит из трансформатора , вторичная обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки и двух диодов и . Данная схема представляет собой сочетание двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода (интервал 0 - ) диод будет открыт, так как к аноду диода приложен положительный потенциал с верхней точки вторичной обмотки трансформатора, а катод через нагрузку подключен к среднему выводу вторичной обмотки, который имеет отрицательный потенциал. Через нагрузку будет проходить ток первого диода (см. рис. 4а). На этом же отрезке времени к диоду будет приложено обратное напряжение (с другой половины вторичной обмотки трансформатора) и он окажется закрытым. В течение следующего полупериода (интервал  - 2) прямое напряжение окажется приложенным ко второму дио­ду, а обратное - к первому диоду, поэтому открытым будет диод и по нагрузке проходит ток.

Таким образом, ток в нагрузке в течение всего периода переменного напряжения протекает в одном и том же направлении. Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение .

Основные параметры схемы:

• Среднее значение выпрямленного напряжения на нагруз­ке за период будет в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении, и тогда с учетом (8)

, (23)

где действующее значение напряжения на одной из полуобмоток трансформатора.

• Среднее значение выпрямленного тока:

. (24)

• Максимальное обратное напряжение на диоде, например, на , определяется максимальным напряжением между концами вторичной обмотки, так как к аноду диода приложено напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в данный момент отрицательное, а к катоду, через диод , который проводит ток, приложено положитель­ное напряжение нижнего конца вторичной обмотки. Используя (24), получим

. (25)

Следовательно, в двухполупериодной схеме макси­мальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение.

Если в данной схеме ток через каждый диод проходит только в течение половины периода, то в это же время через нагрузку он идет в течение всего периода. Это означает, что среднее значение тока через диод в 2 раза меньше, чем среднее значение тока через нагрузку .

• Действующее значение токов, проходящих через первичную и вторичную обмотки трансформатора:

, . (26)

• Максимальное значение тока вентиля:

. (27)

• Среднее значение тока через диод равно половине тока нагрузки, так как в схеме поочередно проводят ток два вентиля:

. (28)

• Действующее значение тока вентиля:

. (29)

• Мощности обмоток трансформатора:

Для первичной обмотки:

, (30)

где .

Для вторичной обмотки:

. (31)

• Расчетная мощность трансформатора:

. (32)

• Коэффициент пульсаций:

. (33)

Из временных диаграмм (рис. 4б) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети.

Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций k = 0,67, следовательно, рассмотренная схема дает более cглаженное выпрямленное напряжение, чем однополупериодная.

Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного выпрямления не подмагничивается, так как во время четных полупериодов постоянная составляющая тока, проходя по нижней части вторичной обмотки трансформатора, размагничивает сердечник трансформатора, который намагнитился во время нечетных полупериодов. Ток первичной обмотки несинусоидален. Так как для получения выпрямленного напряжения необходим трансформатор со средним выводом вторичной обмотки, и каждая из половин вторичной обмотки работает только полпериода, то вторичная обмотка в этой схеме выпрямления используется не полностью, и коэффициент использования обмоток трансформатора ниже.

Сравнивая двухполупериодную схему выпрямления с однополупериодной, можно сделать следующие выводы:

• среднее значение тока диода уменьшается в 2 раза при одном и том же токе нагрузки,

• меньше коэффициент пульсаций (0,67),

• лучше используется трансформатор,

• обратное напряжение в обоих схемах одинаково.

Однако есть и недостатки: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора, а также наличие двух диодов вместо одного.

Мостовая схема.

Рис. 5. Принципиальная схема мостового выпрямителя

Пусть в некоторый момент времени переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора таково, что потенциал точки А выше потенциала точки В. Тогда от точки А (« + » источника напряжения) ток будет проходить через диод к точке Г, далее через нагрузку к точке Б и через диод к точке В (« - » источника напряжения). В течение следующего полупериода, когда потенциал точки В выше потенциала точки А, ток от точки В будет проходить через диод , нагрузку и диод к точке А. Для первого полупериода направление тока показано сплошными стрелками, для второго полупериода направление тока показано пунктирными стрелками. В любой полупериод ток через нагрузку проходит в одном направлении.

Временные диаграммы мостовой схемы совпадают с диаграммами двухполупериодной схемы. Для мостовой схемы (при активной нагрузке) справедливы соотношения:

• Среднее значение выпрямленного напряжения:

. (34)

• Максимальное обратное напряжение на вентилях:

. (35)

• Максимальное значение тока вентиля:

. (36)

• Среднее значение тока вентиля:

. (37)

• Действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора:

. (38)

• Коэффициент пульсаций:

. (39)

Выпрямленный ток в данной схеме, в отличие от двухполупериодной схемы со средней точкой, протекает во вторичной обмотке в течение обоих полупериодов то в одном, то в другом направлении, поэтому отсутствует намагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет уменьшить размеры и массу трансформатора.

Когда диод не проводит ток, к его аноду приложен положительный потенциал с верхнего конца вторичной обмотки, а к катоду через открытый диод приложен отрицательный потенциал нижнего конца вторичной обмотки. Таким образом, в непроводящем направлении диод оказывается под напряжением вторичной обмотки трансформатора (35).

Т.е. обратное напряжение на мостовой схеме в 2 раза меньше, чем в двухполупериодной со средней точкой.

Преимущества мостовой схемы выпрямителя перед схемой со средней точкой:

• обратное напряжение, прикладываемое к неработающим диодам, в 2 раза меньше;

• конструкция трансформатора проще, так как не требуется вывода средней точки вторичной обмотки;

• возможность применения схемы без трансформатора, когда напряжение сети соответствует напряжению, которое должно быть приложено к мосту;

• габариты и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток.

Недостатком мостовой схемы следует считать наличие четырех диодов по сравнению с двумя диодами в схеме со средней точкой.

Трехфазные выпрямители.

Выпрямители трехфазного тока применяются, в основном, для питания потребителей средней и большой мощности. При этом они равномерно нагружают сеть трехфазного тока. Из всего многообразия схем трехфазных выпрямителей наиболее простой является трехфазная схема с нулевым, выводом, представленная на рис. «а».

Рассмотрим работу этой схемы в случае чисто активной нагрузки. Как видно из рис. 6а, схема состоит из трехфазного трансформатора Тр, трех вентилей и сопротивления нагрузки . Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, вторичная - только звездой. Катоды вентилей , и соединенные между собой, имеют положительный потенциал по отношению к нагрузке . На нулевой точке трансформатора - отрицательный потенциал.

Рис. 6. Принципиальная схема трехфазного выпрямителя (а)

и диаграмма напряжений на фазах (б)

Вентили в приведенной схеме работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, когда потенциал анода одного вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух вентилей, т. е. когда соответствующее фазное напряжение будет положительным и больше двух других фазных напряжений. Например, в интервале времени - (рис. 6б), когда напряжение положительно, а напряжения и или отрицательны, или положительны, но имеют меньшее значение, чем напряжение , ток будет проходить по фазе а вторичной обмотки трансформатора через вентиль и нагрузочный резистор . В следующую треть периода в интервале времени - будет работать вентиль , так как его анод имеет более высокий положительный потенциал, чем аноды вентилей и . Ток будет проходить по фазе b вторичной обмотки трансформатора через вентиль и нагрузку. Причем через нагрузку он будет проходить в том же направлении, что и в предыдущую треть периода. После этого будет работать вентиль , затем снова вентиль и т.д.

На рис. 6б видно, что пульсации напряжения на нагрузке значительно меньше, чем в схемах выпрямителей однофазного тока, и их частота в 3 раза больше частоты сети, что облегчает фильтрацию. Если применить схему с большим числом вентилей, то пульсации еще больше уменьшаются, и поэтому в некоторых случаях можно обойтись без сглаживающих фильтров.

Основные расчетные соотношения для трехфазного выпрямителя:

• Среднее значение выпрямленного напряжения (находится путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения):

, (40)

где - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

• Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

, (41)

где - амплитуда фазного напряжения.

• Максимальное значение тока вентиля:

. (42)

• Среднее значение тока, протекающего через вентиль:

. (43)

• Коэффициент пульсаций:

. (44)