Выпрямители на полупроводниковых диодах

Как уже отмечалось выше, до 40% всей электрической энергии, вырабатываемой электростанциями страны в виде переменного напряжения, преобразуется в постоянное. Для этого используются­ выпрямительные устройства на полупроводниковых диодах и тиристорах.

На рис. 6.4. приведены принципиальная схема и временные диаграммы токов и напряжений простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя с конденсатором С_ф, включенном параллельно нагрузке.

Рассмотрим работу выпрямителя в установившемся режиме. Ток через диод (iа) начинаетпротекать, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора (U₂) становится больше напряжения на конденсаторе (Uc), что соответствует интервалам времени t₁ – t₂ и t₃. – t₄.

За это время t₁ - t₂ происходит заряд конденсатора С_ф. Как правило постоянная времени заряда конденсатора τ_зар=Rд*C выбирается таким образом, что конденсатор успевает зарядится до амплитудного значения напряжения Um₂ на выходе вторичной обмотки трансформатора. При этом заряд конденсатора продолжается до величины Um₂,а затем начинается его разряд, так как напряжение U₂(t) оказывается меньше Uс. Однако в случаях, когда величина С выбрана очень большой, постоянная времени заряда конденсатора (τ_зар=Rд*C_ф) оказывается соизмеримой с интервалом (t₁ - t₂).При этом конденсатор С не успевает зарядится до амплитудного значения напряжения U₂ и его заряд продолжается после прохождения амплитудного значения Um₂.Именно такой случай изображен на рис.6.4. Только с момента времени t2 напряжение U₂(t) становится меньше напряжения на конденсаторе Uc, диод запирается, и конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки R_H. Время разряда конденсатора определяется постоянной вре­мени (τ_раз=Rн*С_ф) и, как правило, значительно большей чем время заряда. К запертому вентилю в это время прикладывается нап­ряжение, максимальное значение которого почти равно удвоенному значению Um2.

Рис. 6.4.Принципиальная схема и временные диаграммы токов и

напряжений однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.

К моменту времени t₃ напряжение U₂ вновь становится больше напряжения Uc, диод открывается и ток Iаначинает заряжать конденсатор C и т. д.

Если требуется обеспечить более высокий коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, используются более сложные фильтры нижних частот; Г-образные LC или RC типа (см. рис.6.5.).

Рис. 6.5. Схема Г-образных фильтров LC и RC типа.

В результате падения напряжения на индуктивной катушке L_Ф значительно уменьшается доля переменной составляющей выпрямленного напряжения. Падения напряжения от постоянной составляющей тока практически нет, так как активное сопротивление индуктивной катушки мало. В маломощных выпрямителях вместо катушки индуктивности (см. рис.6.5) включают резистор Rф.

Существенным недостатком однополупериодных выпрямителей является неравномерная нагрузка сети переменного тока, так как выпрямители этого типа потребляет электроэнергию только во время положительного или отрицательного полупериодов переменного напряжения.

Поэтому, как правило, для получения постоянного напряжения используются двухполупериодные выпрямители, равномерно загружающие электрическую сеть. Примером такого выпрямителя является мостиковый, в котором для получение выпрямленного напряжения используются четыре диода, включенных по мостовой схеме.

МОСТИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

На рис. 6.6. приведена принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, собранного по мостовой схеме. На этом же рисунке приведены временные диаграммы, поясняющие работу выпрямителя.

Рис.6.6. Принципиальная схема мостового двухполупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы (б,в,г), поясняющие происходящие процессы.

Рассмотрим особенности работы выпрямителя. Во время положительного полупериода напряжения U₂(t) на выходе трансформатора открыты диоды В₁ и В_З, а диоды В₂ и В₄ закрыты. В течение отрицательного полупериода U₂(t) диоды В₁, В_З, закрыты, а В₂. В₄ - открыты. В результате через диоды в каждом полупериоде протекает импульсный ток i_d (см. рис. 6.6 в), заряжающий (при замкнутом переключателе S ) конденсатор С_ф.За время протекания тока С_ф заряжаетсядо напряжения Uс, которое несколько меньше максимального напряжения Um₂. Отличие Uс от Um₂ невелико и обусловлено падением напряжения на полупроводниковых диодах и вторичной обмотки трансформатора.

После того как конденсатор зарядится до напряжения, близкого к Um₂, ток i_d(t) прекращается, так как текущее значение напряжения U₂(t ) становится меньше Uс = Um₂ При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление Rн (см.рис.6.6.в).Зависимость от времени тока(Iн), протекающего через сопротивление нагрузки, приведена на рис.6.6.г.На рисунке 6.6.в пунктиром изображена также временная диаграмма изменения тока i_d(t) при разомкнутом переключателе S.

Как видно из рассмотрения этих зависимостей, при отключенном конденсаторе на нагрузке образуется пульсирующие напряжение. Включение конденсатора делает напряжение на нагрузке более сглаженным. Чем больше величина конденсатора, тем сильнее сглажено напряжение на нагрузке. Поэтому на выходах выпрямителей, используемых в ЭВМ, обычно включаются конденсаторы, емкость которых составляет доли Фарады.

Как уже отмечалось в предыдущем разделе, в тех случаях, когда необходимо уменьшить пульсации напряжения, на выходе выпрямителя включаются дополнительные фильтры нижних частот. Существенно можно уменьшить пульсации на выходе выпрямителя также при использовании стабилизаторов напряжения.

ТИРИСТОРЫ

Тиристорами называют широкий класс полупроводниковых приборов релейного типа. К ним относятся: динисторы - неуправляемые релейные приборы, выполненные из трех последовательно включенных « р-п» переходов; триодные управляемые полупроводниковые приборы, предназначенные для переключения напряжений одного знака, симисторы, используемые для переключения положительных и отрицательных напряжений и др.

Общим свойством всех тиристоров является их способность находиться в двух состояниях; - выключенном, когда его сопротивление велико и включенном, когда его сопротивление становится малым, а протекающий через него ток большим (десятки и сотни Ампер). Время переключения тиристора из одного состояния в другое мало (десятки мкс). После переключения из закрытого состояния в открытое, протекающий через тиристор ток остается большим до тех пор, пока не будет выключено или сменит свой знак напряжение между анодом и катодом. Ниже основное внимание уделяется рассмотрению триодных тиристоров. Триодные тиристоры широко используются при построении управляемых выпрямителей, переключате­лей электрических напряжений, а также в инверторах.

Триодным тиристором называют электронный прибор с тремя р-п переходами и тремя омическими выводами (см.рис.6.7.). Два вывода тиристора (анод и катод) подключаются к источнику питания, а третий к источнику управляющего напряжения (Uу). Триодный управляемый тиристор состоит из трех р-п переходов I, II, и III . Напряжение питания подаётся на тиристор таким образом, что переходы I и III открыты, а переход II закрыт. Сопротивление откры­тых переходов мало и поэтому почти всё напряжение питания E приложено к закрытому переходу II, имеющему большое сопротивле­ние.

При этом ток, протекающий через тиристор, очень мал ( единицы мА) и тиристор находится в закрытом состоянии. При выключенном управляющем напряжений по мере увеличения напряжения между анодом и катодом транзистора, что достигается увеличением э.д.с источника питания Е, ток тиристора уве­личивается незначительно до тех пор, пока это напряжение не достигнет напряжения пробоя «р-п» перехода II. После этого происходит лавинообразное увеличение числа носителей заряда за счёт лавинного умножения носителей в переходе II, что приводит к резкому уменьшению его сопротивления. В результате тиристор переходит в открытое состояние. Напряжение U_пер, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу II. Добавочные носители заряда вводятся в р₂ слой управляющей цепью, питаемой от независи­мого источника напряжения Uy.

Рис 6.7. Структурная схема тиристора.

На рис.6.8. приведены статические вольтамперные характеристики управляемого триодного тиристора

Рис. 6.8.Вольтамперные характеристики тиристора

при различных значениях управляющего тока.

На рис.6.8 по оси абсцисс отложено напряжение между анодом и катодом тиристора (U_АК), а по оси ординат ток, протекающий через тиристор ( Iа).

Из рис. 6.8. видно, что при росте то­ка управления( Iу ) напряжение включения тиристора снижается, т.е. ток 1у управляет напряжением включения тиристора.

При большом значении управляющего тока требуется более низкое анодное напряжение, при котором происходит лавин­ное нарастание тока.

Точка С, расположенная на нижнем участке прямой ветви ВАХ тиристора при отсутствии управляющего тока (1у=0 ), является граничной. При напряжении между анодом и катодом тиристора, соответствующем этой точке, происходит лавинный пробой р-п перехода II. Поэтому напряжение на тиристоре в этой точке называют напряжением переключения Unep.

В исходном состоянии при токе управления равном нулю и напряжении на аноде тиристора U_АК меньшем напряжения переключения тиристора, тиристор закрыт.

При подаче управляющего импульсного напряжения тиристор открывается при Uа меньшем Uпер. Чем больше Iу, тем при меньшем Uа открывается тиристор. Обычно Iу выбирают таким образом, чтобы тиристор открывался при U равном 1..2 В. При открывании тиристора рабочая точка смещается из точки А в точку В на его ВАХ. После переключения тиристора в открытое состояние ток через него резко возрастает. Запирание тиристора происходит только при изменении знака приложенного к аноду напряжения с положительного на отрицательное. При этом прямой ток через тиристор уменьшается до нуля и после рассасывания заряда неосновных носителей тиристор запирается.

Ток и падение напряжения на тиристоре можно определить графически, построив на ВАХ тиристора линию нагрузки, соответствующую сопротивлению R. Для этого проводят прямую линию, проходящую через точки с координатами ( 0; E/R ) и (Е; 0). Координаты точки пересечения этой линии с ВАХ тиристора определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и открытом состояниях (точки А и В).