Исследование полупроводниковых выпрямителей

Цель работы

Изучить свойства маломощных полупроводниковых выпрямителей при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении, путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего и амплитудного значений выпрямленного напряжения.

Изучить свойства C- и LC-фильтров при работе в схемах однофазного однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего и амплитудного значений напряжения.

Теоретическое введение

Если в кристалле полупроводника существуют области с различным типом проводимости, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или p-n переходом.

При отсутствии внешнего напряжения основные носители заряда (электроны в n-области и дырки в p-области) диффундируют из области с одним типом проводимости в другую. Электроны, попадая в область с проводимостью типа p, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Аналогично ведут себя дырки, попадая в область с проводимостью типа n. При уходе основных носителей в полупроводнике остаются нескомпенсированные ионы - положительно заряженные в полупроводнике типа n и отрицательно заряженные в полупроводнике типа p, которые лишены подвижности. Неподвижные разноименные заряды по обе стороны границы раздела создают электрическое поле, его называют диффузионным. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей, поэтому его называют потенциальным барьером. Обеднение области p-n перехода основными носителями зарядов приводит к возрастанию сопротивления этой области, поэтому p-n переход называется еще запирающим слоем (рис. 6.1б).

Если к p-n переходу подключить источник энергии положительным полюсом к p области (такое включение называется прямым), то электрическое поле, создаваемое этим источником внутри полупроводника, будет противоположно по направлению диффузионному, в результате чего б льшее количество основных носителей, чем при равновесном состоянии, перейдут через границу раздела. Так как скорость рекомбинации электронов и дырок конечна, основные носители, перешедшие через границу раздела будут, уменьшать толщину запирающего слоя (рис. 6.1в), и его сопротивление, в результате чего через p-n переход потечет ток, величина которого будет быстро увеличиваться при возрастании приложенного напряжения.

а) до контакта - дырки - электроны

б)контакт при отсутствии внешнего поля d - толщина запирающего слоя

в) внешнее поле понижает потенциальный барьер, уменьшает толщину запирающего слоя

г) внешнее поле повышает потенциальный барьер, увеличивает толщину запирающего слоя

Рис. 6.1. Распределение носителей при контакте полупроводников

с разным типом проводимости

Если источник энергии подключить положительным полюсом к n области (такое подключение называется обратным), то высота потенциального барьера увеличится, т.к. направление поля, создаваемого источником, будет совпадать с направлением диффузионного поля. Основные носители будут уходить от границы слоев (рис. 6.1г), а сопротивление запирающего слоя расти. В этих условиях ток через контакт определяется только движением по направлению к контакту неосновных носителей, для которых поля источника энергии и диффузионное являются ускоряющими. Однако концентрация неосновных носителей обычно много меньше концентрации основных, поэтому ток в обратном направлении на много порядков меньше тока в прямом направлении, несмотря на то, что обратное напряжение может достигать нескольких сотен вольт. Следовательно, можно считать, что электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью электрического тока.

Чрезмерное увеличение обратного напряжения приводит к пробою p-n перехода. Сущность пробоя заключается в том, что неосновные носители, двигаясь в сильном электрическом поле, могут приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника, в результате которой происходит умножение носителей в переходе и резкое увеличение обратного тока; p-n переход теряет при этом свойство односторонней проводимости.

Существование в определенном диапазоне напряжений свойства односторонней проводимости позволяет рассматривать p-n переход как нелинейный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. При увеличении прямого напряжения сопротивление p-n перехода уменьшается, при изменении полярности приложенного напряжения сопротивление p-n перехода резко возрастает. Нелинейные свойства p-n переходов лежат в основе работы полупроводниковых диодов или вентилей, которые используются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный, называемых выпрямителями.

Основными электрическими параметрами вентилей, характеризующими их качество и возможность работы в том или ином устройстве, являются:

-максимальный выпрямленный ток I_{m выпр.};

-максимальное допустимое обратное напряжение U_{m обр. доп.};

-амплитуда обратного тока при максимальном допустимом напряжении

I_{m обр.};

-прямое падение напряжения при максимальной величине выпрямленного тока U_пр.

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; i_н – 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_нпротекает 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; u_н, i_н – напряжение и ток в нагрузке; u_в, i_в – 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_.= =0,636U₂_m . (6.10)

Аналогичное выражение можно записать и для среднего значения выпрямленного тока:

I_ср.= =0,636I_2m . (6.11)

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.