Исследование полупроводниковых выпрямителей

Диоды высокого качества должны пропускать большой выпрямленный ток при малом падении напряжения в прямом направлении и малый обратный ток при высоком обратном напряжении.

Рис.6.2. Условное графическое изображение диода

Рис. 6.3. Схема однополупериодного однофазного выпрямителя

Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа p, маркируется знаком + и называется анодным. Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа n, называется катодным.

Рис. 6.4. Волновые диаграммы тока и напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя: u2 – напряжение на входе в выпрямитель; iн – ток, протекающий в нагрузке

Выпрямитель состоит: из силового трансформатора, который трансформирует напряжение сети до величины, необходимой для получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя; системы вентилей, преобразующих переменный ток в постоянный; сглаживающего фильтра, который уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя; стабилизатора, который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменениях напряжения сети или сопротивления нагрузки. В зависимости от требований, предъявляемых к выпрямителю условиями работы нагрузки, сглаживающий фильтр и стабилизатор могут отсутствовать.

Простейшим однофазным выпрямителем является однополупериодный, схема которого представлена на рис. 6.3. Если вентиль идеальный (его сопротивление в прямом направлении R_пр=0, а в обратном R_обр=∞), то при синусоидально изменяющемся вторичном напряжении трансформатора u₂, ток в резисторе R_н появится только в те полупериоды напряжения u₂, когда потенциал точки 1 будет положителен относительно точки 2, т.к. при таком напряжении вентиль открыт (рис. 6.3). Когда потенциал точки 1 относительно точки 2 отрицательный, вентиль закрыт и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора и в цепи нагрузки равен нулю. Таким образом, ток в резисторе пульсирует и появляется только в один из полупериодов напряжения u₂.

Т.к. сопротивление вентиля в прямом направлении R_пр=0, в положительный полупериод напряжения падение напряжения на вентиле u_пр.=i_н∙R_пр.=0 и как следует из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки u₂ = u_н. В отрицательный полупериод напряжения u₂, ток нагрузки i_н=0 (рис. 6.4) и, как вытекает из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки трансформатора, u_обр.=u₂, а максимальное значение обратного напряжения U_m.обр.=U_2m. Выпрямители характеризуются средними выпрямленными значениями напряжений и токов, т.е. средними арифметическими значениями из всех их мгновенных значений за период:

U_ср.= . (6.1)

После интегрирования получим:

U_ср.= =0,318U_2m. (6.2)

Аналогично для тока:

I_ср= =0,318I_2m. (6.3)

Переходя от амплитудного значения напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора к действующему, будем иметь:

U_ср.= U₂=0,45U₂. (6.4)

Действующее значение выпрямленного тока есть среднее квадратичное его значение за период, т.е.

I= = . (6.5)

Т.к. ток во вторичной обмотке трансформатора и через вентиль протекает в течение только одного полупериода, верхний предел интегрирования берется равным Т/2.

После интегрирования получим:

I= . (6.6)

Совместное решение уравнений (6.3) и (6.6) дает:

I= I_ср=1,57I_ср. (6.7)

Электрические параметры выпрямителей определяют выбор вентилей для них. Выпрямители надежно работают только в том случае, когда параметры вентилей превышают параметры выпрямителей. Поэтому при подборе вентиля для выпрямителя необходимо, чтобы его максимальное допустимое обратное напряжение U_{m.обр.доп.} (приводится в паспорте вентиля) было больше расчетного значения обратного напряжения, т.е. должно выполняться условие U_{m.обр. доп.}≥ U_m.обр.=U_2m, а с учетом соотношения (6.2):

U_{m обр.доп.} U_{m обр.}=3,14U_ср. (6.8)

Необходимо также, чтобы максимальное значение выпрямленного тока вентиля (приводится в паспорте вентиля) было больше расчетного значения, т.е. должно выполняться условие:

I_{max выпр.} I=1,57I_ср. (6.9)

Из рис. 6.4 видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума один раз за период.

Следовательно, частота пульсации напряжения на нагрузочном резисторе воднополупериодной схеме равна частоте источника энергии.

Большая пульсация выпрямленного напряжения является одним из основных недостатков однополупериодного выпрямителя. Другим - недостаточное использование трансформатора по току, т.к. среднее значение выпрямленного тока, как видно из уравнения (6.3), значительно меньше действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 6.5. Мостовая схема двухполупериодного однофазного выпрямителя

Указанных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители, в которых используются оба полупериода напряжения источника энергии. Наиболее распространенная мостовая схема двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 6.5.

Здесь к одной диагонали моста, образованного вентилями В₁-В₄, подведено переменное напряжение, а к другой подключен нагрузочный резистор R_н. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2, вентили В₁ и В₂ открыты и в нагрузке возникает ток i_н (на схеме показан ¾®). Вентили В₃ и В₄ в это время закрыты. Когда потенциал точки 1 отрицателен относительно точки 2 (на схеме полярность взята в скобки), вентили В₃ и В₄ открываются и в резисторе R_н протекает ток того же направления, что и в первом полупериоде (рис. 6.5) (на схеме показан - ®). Вентили В₁ и В₂ в это время закрыты.

Рис. 6.6 Волновые диаграммы тока и напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя: u2 – напряжение на входе в выпрямитель; uн, iн – напряжение и ток в нагрузке; uв, iв – напряжение и ток на вентилях (диодах)

Т.к. сопротивление проводящих вентилей в прямом направлении R_пр=0, то в положительный полупериод напряжения u₂, падения напряжения на них u_пр = i_вR_пр =0 и из второго закона Кирхгофа для контура, образованного вторичной обмоткой трансформатора, проводящими вентилями (например В₁ и В₂) и нагрузочным резистором R_н, следует, что u_н=u₂. Такое же напряжение будет действовать на нагрузке и во второй полупериод, когда откроются вентили В₃ и В₄. Очевидно, что среднее значение выпрямленного напряжения в случае двухполупериодного выпрямления будет в два раза выше по сравнению с однополупериодным, т.е.

U_{ср .}= = 0,636U_2m. (6.10)

Аналогичное выражение можно записать и для среднего значения выпрямленного тока:

I_ср.= =0,636I_2m. (6.11)

Переходя от амплитудного значения напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора к действующему, будем иметь:

U_ср= U=0,9U. (6.12)

Т.к. падение напряжения на проводящих вентилях равно нулю, то, как следует из второго закона Кирхгофа для контура образованного вторичной обмоткой трансформатора, проводящим вентилем (например В₂) и непроводящим вентилем (например В₄), непроводящий вентиль оказывается под напряжением u₂, которое приложено в обратном направлении, а его максимальное значение U_{m обр.}=U_2m.

Действующее значение тока, проходящего через каждый вентиль моста, можно определить совместным решением уравнений (6.6) и (6.11), т.к. каждое плечо моста можно рассматривать как однополупериодный выпрямитель:

I= I_ср=0,785I_ср. (6.13)

При подборе вентилей для работы в мостовых схемах так же, как и в однополупериодных, максимальное допустимое обратное напряжение U_{m.обр.доп} должно быть больше расчетного значения обратного напряжения, т.е. выполняться условие U_{m.обр..доп.} U_m.обр.=U_2m, а с учетом соотношения (6.10):

U_{m обр. доп.} U_{m обр.}= U_ср.=1,57U_ср. (6.14)

Максимальное значение выпрямленного тока должно быть больше расчетного значения, т.е.

I_{max выпр.} I=0,785I_ср. (6.15)

Из рис. 6.6 видно, что напряжение на нагрузочном резисторе R_н достигает максимума два раза за период.