Светодиоды

Туннельные

Стабилитроны

Применение полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды по функциональному назначению делятся на следующие типы:

- выпрямительные

В рамках настоящего курса по электронике будет рассмотрено применение выпрямительных диодов и стабилитронов.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. создания тока одного направления. Строго говоря, подавляющее большинство полупроводниковых диодов обладает выпрямительными свойствами. Однако выпрямительные диоды обладают соответствующими параметрами: малым прямым напряжением, большим напряжением пробоя и большой мощностью рассеяния.

Выпрямление тока бывает однополупериодное и двухполупериодное.

Однополупериодная схема выпрямления представлена на рис.13.

Рис.13. Однофазная однополупериодная схема выпрямления переменного тока

В интервале действия полуволны источника переменной ЭДС, когда диод находится под действием прямого смещения, через резистор R протекает ток i(t) и на резисторе падает напряжение . Резистор является эквивалентом нагрузки. Во время действия противоположной полуволны, когда диод включен в обратном направлении, ток по цепи не протекает и на резисторе нет падения напряжения. Таким образом, через резистор протекает ток одного направления в течение только одного полупериода.

Для анализа поведения тока через резистор R во времени нужно представить источник переменной ЭДС Е в различные моменты времени как источник постоянной ЭДС, имеющий различные величины напряжения. В этом случае на графике ВАХ диода с нагрузочной характеристикой находятся точки их пересечения в определенные временные сечения. Эти точки, соответствующие мгновенным значениям тока через резистор в выбранные моменты времени, наносятся на график i(t), который отражает временную диаграмму выпрямленного тока, рис.14.

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя являются:

- среднее значение выпрямленного тока и напряжения I_н.ср. и U_{н.ср .}

- мощность нагрузочного устройства P_н.ср.=U_н.ср.I_{н.ср .}

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_{осн. m};

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ;

- коэффициент полезного действия

, (11)

где P_D – потери мощности в диоде.

В однополупериодном выпрямителе

(12)

где U₂ – напряжение, подаваемое на выпрямительную схему.

. (13)

Для получения значения коэффициента пульсаций нужно найти амплитуду первой гармоники пульсаций разложением в ряд Фурье напряжения на резисторе и разделить ее на величину среднего значения выпрямленного напряжения. Для указанной на рис.14 последовательности импульсов амплитуда первой гармоники равна . Откуда для однополупериодного выпрямленного напряжения коэффициент пульсаций равен p=1.57.

Необходимо к этому сделать одно важное замечание. Как видно из рис.2 у выпрямленного тока (так же как и выпрямленного напряжения) наблюдается запаздывание по времени начала протекания выпрямленного тока относительно начала и конца фаз положительного полупериода выпрямляемого напряжения. Это связано с тем, что прямая ветвь ВАХ диода нелинейная и существенный рост тока через диод начинается после снижения потенциального барьера. Высота потенциального барьера в зависимости от степени легирования p и n областей больше или равна ширине запрещенной зоны. Для кремниевых выпрямительных диодов сильно легированная область, из которой происходит инжекция, имеет концентрацию примеси порядка 10¹⁹ см^-3, а слабо легированная область – 10¹⁵ см^-3. При этом высота барьера около 0.8 В. Поэтому значительный экспоненциальный рост прямого тока через диод будет наблюдаться при напряжениях больше 0.5-0.7 В, что и определяет вид временной зависимости выпрямленного тока (напряжения). Этот вид искажения существенен при малых выпрямляемых напряжениях, сравнимых с величиной потенциального барьера, и он влияет на величину коэффициента полезного действия, величину выпрямленного тока и напряжения, коэффициент пульсаций.

Кроме того, при анализе механизма выпрямления не был учтен обратный ток, который все-таки создает некоторое падение напряжение на резисторе-нагрузке. Однако, этот эффект несущественен.

Несмотря на простоту схемы однополупериодного выпрямления, оно неэкономично по нескольким причинам. Наиболее существенными из них являются: 1) малый коэффициент полезного действия, так как почти в течение половины периода по резистору не протекает ток, тогда как в то же время источник ЭДС работает; 2) малое действующее значение выпрямленного тока, обусловленное теми же причинами; 3) высокий коэффициент пульсаций.

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий:

,

где U_обр.max – максимально допустимое обратное напряжение на диоде.

Необходимое U_обр.max можно обеспечить путем последовательного включения нескольких диодов. При этом для получения однородного распределения обратного напряжения по диодам необходимо последовательно каждому диоду включить шунтирующий резистор, ток через который должен быть в 5-10 раз больше обратного тока диода. Это связано с тем, что реально обратные токи диодов не одинаковые, вследствие чего неодинаковые и обратные сопротивления диодов, вследствие чего без шунтирующих резисторов обратные напряжения на отдельных диодах могут превышать допустимые значения. Число последовательно включенных диодов равно отношению амплитуды выпрямляемого напряжения U_2m к U_обр.max.

Наиболее экономичным является двухполупериодное выпрямление. Двухполупериодные схемы выпрямления электрического тока бывают двух типов: мостовые и со средней точкой. Мостовая схема выпрямления представлена на рис.15.

Рис.15. Схема однофазного мостового двухполупериодного выпрямителя тока. Обводными линиями показаны направления тока в различные полупериоды выпрямляемого напряжения.

В положительный полупериод выпрямляемого напряжения VD1 и VD4 заперты, ток через них протекать не может. VD2 и VD3 – открыты для протекания тока. Эквивалентная схема выпрямления для этого случая имеет вид, рис.16.а.

	а) б)

Рис.16. Эквивалентные схемы однофазного выпрямления тока для двухполупериодного выпрямителя в различные полупериоды U₂

В отрицательный полупериод открыты VD2 и VD3, заперты VD1, VD4 рис.16.б.

Как видно из направлений протекания тока в различные полупериоды действия ЭДС источника напряжения ток через резистор R сохраняет свое направление, рис.15. А так как принцип выпрямления в каждый полупериод такой же как и для однополупериодного выпрямления, то диаграмма тока через нагрузку при отрицательной полуволне будет такая же как при положительной, рис.17.

Рис.17. Временные диаграммы: ЭДС - e(t), и тока через резистор – i(t) при двухполупериодном выпрямлении тока. Временные разрывы между пульсациями обусловлены нелинейностью ВАХ диода.

Для двухполупериодной схемы средние значения тока и напряжения равны:

(14)

(15)

Максимальное обратное напряжение на диодах равно

(16)

Максимальный прямой ток через диоды двухполупериодного выпрямителя равен:

(17)

Амплитуда основной гармоники с частотой 2w для пульсаций вида рис.5 равна , при этом коэффициент пульсаций равен p = 0.67.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой требует применения трансформатора со средней точкой, рис.18.

Рис.18. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

В представленной на рис.6.схеме потенциал средней точки отвода вторичной обмотки трансформатора можно принять равным нулю. Тогда в каждый полупериод напряжения на первичной обмотке трансформатора в точках а и б знаки потенциалов будут противоположными относительно средней токи. При положительном потенциале в точке а диод VD1 открыт, а диод VD2 заперт. Прямой ток течет по направлению от точки а через резистор к средней точке. В следующий полупериод напряжения на первичной обмотке знаки потенциалов в точках а и б меняются. Диод VD1 запирается и ток через него не течет. Диод VD2 открывается для протекания прямого тока, направление которого в этом случае от точки б через резистор к средней точке.

Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, и те же основные параметры, что и выпрямитель, выполненный по мостовой схеме. Однако нужно отметить два отрицательных момента: 1) такой выпрямитель требует симметричный средний вывод у вторичной обмотки трансформатора, что увеличивает ее число витков; 2) обратное максимальное напряжение по этой же причине больше, чем в мостовой схеме и равно

Трехфазные выпрямители переменного тока применяют как выпрямители средней и большой мощностей. Существуют два основных типа выпрямителей трехфазного тока: с нейтральным выводом и мостовой. Схема первого типа выпрямителя показана на рис.19.

На рис.20 представлены временные диаграммы напряжения u₂(t) в точках a, b, c, тока через резистор R и диоды VD1, VD2 и VD3.

Ток через резистор по первому закону Кирхгофа равен сумме токов всех трех ветвей с учетом знака (направления). Так как токи в каждой фазе по данной схеме при положительных потенциалах в точках a, b, c относительно узла д направлены к узлу д, то суммарный ток через резистор всегда имеет одно и то же направление. Т.е. имеет место выпрямление тока.

Проведем более детальный анализ выпрямления трехфазного тока, рис.20.

Рис.20. Временные диаграммы потенциалов в точках a, b, c – u_a(t), u_b(t), u_c(t); токов через диоды i_VD1, i_VD2, i_VD3 и тока через резистор i_R.

В момент t = 0 потенциалы в точках a, c одинаковые. Вследствие этого разность потенциалов на выводах диодов VD1 и VD3 равна нулю и поэтому ток через эти диоды в этот момент равен нулю. Потенциал в точке b относительно потенциалов a и c отрицательный, поэтому на выводах диода VD2 напряжение обратное и ток через VD2 не протекает.

При 0 >t>t₁ на диодах VD2 и VD3 разность потенциалов соответствует обратному напряжению, т.к. u_a(t)>u_c(t)>u_b(t), а на VD1 – прямому. Поэтому через VD1 и R начинает протекать ток, равный . Максимум тока через резистор будет наблюдаться в момент времени t = t₁. При t = t₂ потенциалы в точках a и b выравниваются и ток через диоды VD1 и VD2 прекращается из-за разности потенциалов равной нулю. Ток через диод VD3 равен нулю вследствие того, что потенциал в точке c отрицательный и напряжение на нем, равное разности потенциалов между точкой c и точками a и b, является обратным.

В интервалах от t₂ до t₃ и от t₃ до t₄ аналогичная ситуация складывается для i_VD2 и i_VD3. Ток через резистор во времени состоит из последовательности токов через диоды VD1, VD2 и VD3.

В трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом коэффициент пульсаций p = 0.25. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока определяются следующими выражениями:

, (18)

Максимальное обратное напряжение на диодах равно разности потенциалов между точками (a-c)-b, (a-b)-c и (b-d)-a в моменты времени t₀, t₁,, (t₂+n×p/6). Разность потенциалов в эти моменты времени на диодах соответственно VD1, VD2, VD3 и далее равна:

(19)

Выпрямитель этого вида позволяет получать выпрямленный ток до сотен ампер, при этом выпрямленное напряжение достигает нескольких десятков киловольт. Основным недостатком является подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, снижающее КПД выпрямителя.

Трехфазный мостовой выпрямитель, рис.21, по всем показателям превосходит трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом. Он используется для преобразования токов и напряжений средней и большой мощности.

Этот выпрямитель содержит мост из шести диодов. В каждую 1/6 часть периода одна из пар диодов находится под действием прямого линейного напряжения, в то время как остальные четыре диода находятся под действием обратного напряжения.

Например, начиная с момента t₀ и до момента t₁ под прямым напряжением находятся диоды VD1 и VD4, так как фаза а имеет положительный потенциал, открывающий VD1 и закрывающий VD2, а фаза b имеет отрицательный потенциал, открывающий диод VD4 и запирающий VD3. Разность потенциалов фаз a и b в этот период больше разности потенциалов между фазами a и c и b и c, поэтому диоды VD2, VD3, VD5 и VD6 заперты и не пропускают ток.

В следующий период времени от t₁ до t₂ наибольшее линейное напряжение приходится на фазы a и c. Потенциалом фазы a держит открытым диод VD1 и закрытым VD2, а отрицательный потенциал фазы c открывает диод VD6 и закрывает диод VD5. Остальные диоды закрыты по причине меньшей разности потенциалов между фазами a и b и b и c.

Рис.21. Трехфазный мостовой выпрямитель и временные диаграммы выпрямляемого напряжения и токов.

Далее подключается следующая пара диодов и отключаются остальные четыре. Т.о. в соответствующие периоды времени в прямом направлении включаются диоды, на которые подается наибольшее линейное напряжение.

Очевидно, что средние значения тока и напряжения для данной схемы выпрямления наибольшие для рассмотренных схем.

(20)

Дата добавления: 2015-05-06