Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике.

Так как диоды обладают свойством односторонней проводимости, то основным назначением для диодов является выпрямление переменного тока.

На рис. 9,а показана простейшая схема выпрямителя, на рис. 9,б – график, поясняющий работу выпрямителя. Простейший выпрямитель – однополупериодный, однофазный.

На диод VD со вторичной обмотки трансформатора подается напряжение , изменяющееся по гармоническому закону:

.

Во время положительного полупериода (рис. 9б) напряжение на диоде является прямым, диод открыт, через него проходит ток, создающий падение напряжения на резисторе . В течение следующего полупериода напряжение является обратным, диод закрыт, тока практически нет и . Таким образом, на сопротивлении нагрузки создается пульсирующее выпрямленное напряжение. Его среднее значение равно:

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры.

Основным достоинством однополупериодной схемы является ее простота.

Полупроводниковые стабилитроны.

ВАХ полупроводникового диода в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов получается для изменения обратного тока в широких пределах.

Типовая ВАХ стабилитрона для обратного тока и его обозначение, приведены на рис. 10. До наступления электрического пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя (в режиме стабилизации) такого же порядка, как и прямой ток.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рис. 11. Нагрузка включена параллельно стабилитрону. В режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне остается почти постоянным, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника E почти полностью поглощаются ограничительным резистором .

рассчитывается для средней точки Т характеристики стабилитрона.

Если Е начнет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке останется почти постоянным.

Стабилизация на всем диапазоне изменения Е будет осуществляться только при соблюдении условия:

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов.

Варикапы.

Это плоскостные (параметрические) диоды, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость, характер этой зависимости иллюстрирует рис. 12а. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые электрическим изменением обратного напряжения. Варикапы применяются для настройки колебательных контуров, а также в параметрических усилителях. На рис. 12б показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью резистора R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Резистор с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор - разделительный.

Тиристор.

Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями. Тиристор имеет три или более переходов и может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Тиристор представляет собой чередующиеся p- и n-области. Крайнюю p-область называют анодной, а n-область – катодной (рис. 13).

Между четырьмя слоями p₁-n₁–p₂-n₁ возникают три p-n перехода П_1, П_2, П₃ , у одного из этих переходов сделан управляющий вывод.

П₁ и П₃ – эмиттерные переходы, П₂ – коллекторный.

Питающее напряжение подается на тиристор таким образом, что переходы П₁ и П₃ открыты, а переход П₂ – закрыт. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжение приложено к закрытому переходу П₂ , имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.

При повышении напряжения ток тиристора увеличивается незначительно, пока напряжение не приблизится к некоторому критическому значению - напряжению включения – это анодное напряжение в прямом направлении, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое состояние, а ток соответствующий в данный момент времени этому напряжению, называется током включения (рис. 14).

После этого происходит лавинообразное увеличение числа носителей в переходе П₂ , движущимися электронами и дырками. С увеличением числа носителей ток в переходе П₂ быстро нарастает, падение напряжения на резисторе увеличивается, напряжение на вентиле падает.

Процесс лавинообразного увеличения числа носителей заряда завершается пробоем перехода П_2. После пробоя перехода П₂ напряжение на тиристоре падает до 0.5 – 1 В. При дальнейшем увеличении ЭДС источника или уменьшении сопротивления резистора ток в тиристоре нарастает в соответствии с вертикальным участком вольтамперной характеристики. Такой пробой не вызывает разрушения перехода П₂. После снятия питающего напряжения сопротивление перехода восстанавливается, тиристор закрывается.

Напряжение , при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением добавочных носителей в любой из слоев, прилегающих к переходу П_2. Эти добавочные носители увеличивают число актов ионизации атомов в переходе, в связи с чем уменьшается. Для этого и существует управляющий электрод, который питается от независимого источника напряжения .

При подачи на тиристор обратного напряжения, через тиристор протекает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П₁ и П₃ .

Из вольт-амперной характеристики тиристора видно, что при токе управления тиристор переходит из закрытого состояния в открытое при напряжении равном напряжению включения, т. е. . Напряжение включения тиристора с ростом тока управления уменьшается. И при некотором значении тока управления происходит спрямление вольт-амперной характеристики тиристора. Такой ток управления называют током управления спрямления.

При отрицательном токе управления напряжение включения сильно увеличивается.

При наличии в анодной цепи сопротивления нагрузки, подключенного к источнику питания с напряжением , током анода можно управлять с помощью тока управления .

Пусть тиристор находится в закрытом состоянии, тогда рабочая точка находится в области I. При задании положительного тока управления тиристор переходит в открытое состояние – 2. А подачей отрицательного тока управления тиристор можно вернуть в закрытое состояние.

должно быть меньше допустимого обратного напряжения, т. к. тиристор может выйти из строя при напряжении пробоя больше или равном напряжению обратному допустимому. Это тепловой пробой, он необратим.

Схема регулируемого выпрямителя тиристоре представлена на рис.15.

При отсутствии тока управления включение тиристора происходит в момент времени, когда напряжение на его аноде достигнет напряжения включения. Начиная с этого момента и до конца положительного полупериода приложенного напряжения через тиристор и сопротивление нагрузки будет проходить ток.

Увеличивая ток управления можно управлять работой тиристора. Среднее значение выпрямительного напряжения и тока будет изменяться. Такой способ регулирования является весьма экономичным, так как потребление мощности в цепи управления чрезвычайно мало.