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 (ё), диод Д и нагрузочный резистор R_H, который можно включать также и в другой про­вод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее бы называть ее однофазной однотактной, так 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 РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 3.8, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R_H, 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 е = Е_т sin wt и его внутрен­ним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_H падение напряжения u_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и u_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде им­пульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпе­риода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_H выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода — минус.

Графики на рис. 3.9 наглядно иллюстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Е_т (рис. 3.9, а). 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 полусинусоиде с максимальным значением I_mах (рис. 3.9, б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение u_R, так как u_R = iR_H.

-

Рис. 3.9. Принцип работы простейшего выпрямителя

График на рис. 3.9, в изображает напряжение на диоде. Иногда 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 R_H, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1-2 В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е = 200 В и E_m = √2E= 280 В. Если U_{np max} = 2 В, то U_Rmax = 278 В. Если бы напряжение источника (например, 200 В) полностью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе R_H нет падения напряжения. Но это возможно только при Rн = 0. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе R,, равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Dыпрямленное напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение, U_cp. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением напряжения U_max среднее значение за полупериод

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше:

Приближенно U_cp считают равным 30 % максимального значения. Это при­ближение допустимо, так как действительная форма импульсов всегда не­сколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую и„, которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 3.10, а). Полуволны переменной составляющей заштрихованы. 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

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. 3.10, б 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.

В простейшей схеме выпрямителя амплитуда первой гармоники пульсаций U_ml очень велика — больше полезной постоянной составляющей:

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 R_н (см. рис. 3.8, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

В течение некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е_т. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_H 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 U_cp ≈ 0,3 Е_т, а при наличии конденсато­ра достаточно большой емкости U_cp приближается к Е_т и может быть равным Е_т и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и R_H, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U_cp к Е_т. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. R_H =∞), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Е_т.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рис. 3.11, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и на­пряжения на конденсаторе и_с, равного напряжению на нагрузке u_R.

Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду, минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде равно разности ЭДС источника и напряжения конденсатора:

u_Д = е- и_с. (3.1)

Так как значение и_с близко к Е_т, то напряжение u_Д становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает и_с (вблизи значения Е_т). В эти небольшие промежутки времени через диод прохо­дит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор. В течение осталь­ной части положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение u_Д — обратное, ток отсутствует и конденсатор разряжается на нагрузку R_H.

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда е = - Е_т. Поскольку напряжение конденсатора также близко к Е_т, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2Е_т. Если цепь нагрузки разомкнута (холос­той ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е_т. Таким образом, наличие конденсатора удваивает обратное напряжение, поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение,

Если требуется уменьшить пульсации, а сопротивление R_H мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т. е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится включать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с большим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

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.

Работа диодов в низкочастотных выпрямляющих устройствах характеризуется несколькими параметрами. К ним относятся средние за период значения прямого тока I_пр._ср и соответствующего ему падения напряжения на диоде U_пр.ср, обратного напряжения U_обр.ср и соответствующего ему обратного тока I_обр.ср. Ток I_прср часто называют выпрямленным током, и весьма важными являются максимальные допустимые (предельные) значения обратного напряжения U_обрmах, прямого (или выпрямленного) тока I_{пр mах} и температуры корпуса t_кор.max а также максимальная рабочая частота f _max.

ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ФИЛЬТРОМ

Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя показана на рис. 1. Для построения выпрямителя необходим трансформатор, имеющий вывод от середины вторичной обмотки. Этот вывод обычно заземляется. В качестве вентилей можно использовать полупроводниковые диоды или кенотроны. Приведенная схема построена на полупроводниковых диодах, подключенных в пропускном направлении к выводам вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 1.

Через фильтр нагрузка одним выводом соединена с общим выводом диодов, а другим выводом через землю — со средней точкой трансформатора. Напряжения на диодах находятся в противофазе. Поэтому, когда, например, проводит верхний диод, нижний диод заперт, и наоборот. Импульсы выпрямленного тока протекают поочередно то через один, то через другой диод, т. е. 2 раза за период. Среднее значение выпрямленного тока в 2 раза больше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя. Величина выпрямленного напряжения в двухполупериодной схеме возрастает. Емкости фильтра подзаряжаются в 2 раза чаще по сравнению с однополупериодной схемой, поэтому частота пульсаций выпрямленного напряжения в 2 раза выше частоты подводимого напряжения. Условия фильтрации выпрямленного напряжения при этом улучшаются. Работа схемы поясняется диаграммой, приведенной на рис. 2, на которой показаны напряжение на вторичной обмотке трансформатора, токи, протекающие через каждый диод, и напряжения на конденсаторах фильтра.

ОДНОФАЗНАЯ МОСТОВАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Мостовая схема представляет собой по существу два двухполупериодных выпрямителя, которые построены на одной и той же обмотке трансформатора и соединены последовательно (рис. 4,а). У двухполупериодного выпрямителя, образованного на вторичной обмотке трансформатора с условной средней точкой О и диодами Д₁ и Д₂, плюс выпрямленного напряжения находится в точке А, а условный минус — в точке О. Выпрямитель, образованный диодами Д₃ и Д₄, имеет ту же схему. Однако диоды в нем включены в обратном направлении. Поэтому полярность выпрямленного напряжения другая: в точке О — плюс, в точке В —• минус. Общее напряжение между точками А и В равно сумме выходных напряжений каждого выпрямителя.

Обычно схема выпрямителя изображается в виде моста, в плечах которого включены диоды (рис. 4,б). К одной диагонали моста подведено выпрямляемое напряжение, а с другой снимается выпрямленное напряжение. Схема работает следующим образом. Пусть в некоторый момент времени потенциал точки С выше потенциала точки О.

Рис. 4.

Тогда от точки С ток течет через диод Д_г (диод Д₃ включен в обратном направлении) к точке А, далее в нагрузку и через точку В и диод Д₄ — к минусу источника. Для этого полупериода направление тока показано сплошными стрелками. В течение другого полупериода от точки В ток течет через диод Д₂, точку Л, нагрузку, точку В и диод Д₃ к точке С. Таким образом, через нагрузку в любой полупериод ток протекает в одну сторону. Во вторичной обмотке трансформатора протекающий за период ток меняет свое направление, а следовательно, постоянная составляющая тока в ней отсутствует. Так как импульсы тока проходят последовательно через два вентиля, то в схеме желательно применять вентили с малым внутренним сопротивлением (полупроводниковые диоды, селеновые шайбы). Обратное напряжение на вентиле в данной схеме равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, т. е. в 2 раза меньше, чем в обычной двухтактной схеме.

Дата добавления: 2014-01-14