Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Полупроводниковые диоды. Типы, конструкция, принципы работы, ВАХ, применение.
В полупроводниковых диодах используется свойство р-п перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо — в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями. По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами спавления пластин р- и n -типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. При этом р-п переход создается на значительной площади (до 1000мм2). В точечных диодах площадь перехода меньше 0, 1 мм2. Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10—20 мА. По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. На рис. 6 приведены условное изображение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика. Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному Кат. выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток Iпр и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр, допустимая мощность рассеяния Ррас и допустимая температура окружающей среды (до 50°С для германиевых и до 140оС для кремниевых диодов). Рис. 6 Вследствие большой площади р-п перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением (рис. 7, а) достигает 1Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности (рис. 7, б) с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В. Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока. Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) р-п перехода при определенных значениях обратного напряжения Uобр = Uпроб (рис. 8, а). На рис. 8, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки rн. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора Uвх > Uпроб (rн + r)/rн напряжение между выходными выводами Uвых» Uпроб изменяется незначительно. Рис. 7 Рис. 8
26. Классификация выпрямительных устройств.
Схемы выпрямления (выпрямители) классифицируют по следующим основным признакам: 1. По числу фаз источника питания переменного напряжения различают выпрямители однофазного тока и выпрямители трехфазного тока. 2. По способу подключения вентилей ко вторичной обмотке трансформатора – нулевые схемы, с использованием нулевой (средней) точки вторичной обмотки трансформатора и мостовые схемы, в которых нулевая точка изолирована или вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник.
Схема однофазного мостового выпрямителя Временные диаграммы напряжений и токов мостового выпрямителя При положительной полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора (полярность указана без скобок) на интервале 0 – υ 1 (0 – π), ток проводят диоды Д1 и Д2. Падение напряжения на диодах на интервале проводимости близко к нулю (вентили идеальные), поэтому к нагрузке прикладывается положительная полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора, создавая на ней напряжение ud = u2. На интервале υ 1 – υ 2 (π - 2π) изменится полярность напряжений u1 и u2 на обратную, что приведет к отпиранию диодов Д3 и Д4. При этом напряжение u2 будет подключено к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале. Следовательно, выходное напряжение ud при чисто активной нагрузке мостового выпрямителя имеет вид однополярных полу-волн напряжения (ud = u2). 3. По потребляемой нагрузкой мощности выпрямители делятся на маломощные (единицы кВт), средней мощности (десятки кВт) и большой мощности (Рпот > 100 кВт). 4. Независимо от мощности выпрямителя все схемы делятся на однотактные или однополупериодные и двухтактные (двухполупериодные). Однотактные – это схемы, у которых ток протекает по вторичным обмоткам трансформатора один раз за период (полупериод или его часть). Все нулевые схемы являются однотактными. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора Временные диаграммы однофазного выпрямителя с нулевым выводом при активной нагрузке Двухполупериодное выпрямление в схеме достигается выполнением трансформатора с двумя вторичными обмотками. Обмотки соединены последовательно и имеют общую нулевую (среднюю) точку. Свободные концы вторичных обмоток трансформатора присоединены к анодам вентилей Д1 и Д2, а связанные между собой катоды вентилей образуют положительный полюс выпрямителя. Отрицательным полюсом выпрямителя является общая (нулевая) точка соединения вторичных обмоток. Таким образом трансформатор служит в этой схеме как для согласования величины питающего напряжения и напряжения на нагрузке, так и для создания средней (нулевой) точки. Очевидно, что напряжения на выводах вторичных обмотках трансформатора u1 и u2 (или ЭДС е1 и е2) одинаковы по величине и сдвинуты относительно нулевой точки на 180°, т.е. находятся в противофазе. В каждый момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого положителен. Поэтому на интервале 0 – π открыт диод Д1 и к сопротивлению нагрузки Rн (Rd) приложено фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора ud = u2-1. Диод Д2 в интервале 0 – π закрыт, так как к нему приложено отрицательное напряжение. В конце интервала напряжения и токи в схеме равны нулю. На следующем интервале работы схемы π - 2π напряжения на первичной и вторичной обмотках изменяют свою полярность на обратную, поэтому диод Д2 будет открыт, а диод Д1 – закрыт. Далее процессы в схеме выпрямления повторяются. Кривая выпрямленного напряжения ud состоит из однополярных полуволн фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Форма тока нагрузки при чисто активной нагрузке повторяет форму напряжения. Диоды Д1 и Д2 проводят ток поочередно в течение полупериода. 5. По назначению: а) маломощные выпрямители, как правило однофазные, используют в системах управления, для питания отдельных узлов электронной аппаратуры, в измерительной технике и др.; б) выпрямители средней и большой мощности служат источниками питания промышленных установок. 6. Схемы выпрямления делятся на простые и сложные. К простым схемам относятся однофазные и трехфазные, нулевые и мостовые схемы. В сложных (или составных схемах) несколько простых схем соединяются последовательно или параллельно. 7. По виду (характеру) нагрузки. Для однофазных схем выпрямления характерны значительные пульсации выпрямленного напряжения. Для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке используют сглаживающие фильтры, выполняемые на основе реактивных элементов дросселей (L) и конденсаторов (С). Характер входной цепи сглаживающего фильтра совместно с нагрузкой определяют вид нагрузки выпрямителя. Различают работу выпрямителя на активную нагрузку (R – НГ), активно-индуктивную нагрузку (RL – НГ), активную нагрузку и емкостный фильтр (RC – НГ). Общим для всех выпрямителей является их применение преимущественно при RL – НГ. Это объясняется тем, что маломощные выпрямители чаще всего работают LC – фильтром, а мощные выпрямители - с L – фильтром. 7. По способу управления различают неуправляемые и управляемые выпрямители.
27. Устройство и принцип работы маломощных выпрямителей однофазного тока.
Классификация полупроводниковых устройств По своим функциональным задачам полупроводниковые устройства можно разделить на три группы: преобразовательные, в том числе выпрямительные; усилительные и импульсные, в том числе логические. Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменение значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока — преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии и т. д. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. При помощи импульсных и логических устройств создают различные системы управления. Первые обеспечивают необходимую временную программу, а вторые — необходимую логическую программу совместной работы отдельных частей объекта управления. Отметим, что деление полупроводниковых устройств по их функциональному назначению в известной степени условно. Реальные полупроводниковые устройства часто содержат элементы нескольких групп, а также генераторы синусоидальных колебаний, стабилизаторы напряжения и т. п. Однофазные неуправляемые выпрямители В общем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис. 1) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст. Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы. Рис. 1 В дальнейшем вместо термина " выпрямительное устройство" будем пользоваться сокращенным — " выпрямитель". По числу фаз источника выпрямленного синусоидального напряжения различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямители, по схемотехническому решению - с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые, по возможностям регулирования выпрямленного напряжения - неуправляемые и управляемые. В неуправляемых выпрямителях для выпрямления синусоидального напряжения включаются диоды, т. е. неуправляемые вентили, а для сглаживания выпрямленного напряжения — обычно емкостные фильтры. Для упрощения расчетов примем, что приемник представляет собой резистивный двухполюсник с сопротивлением нагрузки, а диоды — идеальные ключи, т. в. реализуют короткое замыкание цепи для тока в прямом направлении и ее разрыв для тока в обратном направлении. В однофазном выпрямителе с нулевым выводом трансформатора приемник подключается к выводу от середины вторичной обмотки трансформатора (рис. 2). Рассмотрим сначала работу выпрямителя вез сглаживающего фильтра (ключ К разомкнут). Если в каждой половине вторичной обмотки с числом витков w считать положительным то направление тока, при котором соответствующий диод открыт, то ток в каждой половине обмотки и в каждом диоде будет синусоидальным в течение положительного (для этой половины) полупериода и равным нулю в течение отрицательного полупериода (рис. 3, а). В приемнике положительные направления обоих токов совпадают, т.е. iн = i1 + i2, (рис. 3, 6). Рис. 2 При идеальном трансформаторе постоянная составляющая тока нагрузки и его действующее значение равны значениям соответствующих величин синусоидального тока с той же амплитудой. Ток в первичной обмотке трансформатора с числом витков w1, синусоидальный и совпадает по фазе с синусоидальным напряжением сети (рис. 3, в) Рис. 3 Рассмотрим, как изменится работа выпрямителя после включения сглаживающего фильтра (ключ К замкнут). По первому закону Кирхгофа для узла 1 цепи прямой ток диода VD1 или где и — напряжение на конденсаторе фильтра и ток в нем. Подставив в это уравнение значение тока i1 = 0, определим момент времени t 1 закрывания диода: откуда Начиная с момента времени t1, напряжение на приемнике будет изменяться по экспоненциальному закону: как показано на рис. 4, а штриховой линией. В момент времени t2 напряжение на конденсаторе иc и на входе выпрямителя u2 = -Umsinwt будут равны и откроется диод VD2. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться. Происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током ic от источника энергии и его последующая разрядка на цепь приемника (рис. 4, б). Рис. 4 Включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую Uo и уменьшает процентное содержание гармонических составляющих в кривой выпрямленного напряжения. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Uо от среднего значения выпрямленного тока Iо называется внешней характеристикой выпрямителя. На рис. 5 приведены внешние характеристики однофазного выпрямителя без сглаживающего фильтра (кривая 1) и со сглаживающим фильтром (кривая 2). Уменьшение напряжения u0 при уменьшении сопротивления цепи нагрузки и увеличении выпрямленного тока объясняется увеличением падения напряжения на реальном диоде с нелинейной ВАХ, а во втором случае - также более быстрой разрядкой конденсатора. Рис. 5 В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 6) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток i1, а другие два диода заперты. Вторую половину периода два других диода проводят ток i2, а первые два диода заперты (рис. 7, а). Для мостовой схемы справедливы все полученные выше соотношения для выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. Ток нагрузки выпрямленный iн = i1 + i2 (рис. 7, б), а ток источника i = i1 - i2 синусоидальный (рис. 7, а). Рис. 6 Рис. 7
28. Устройство и принцип работы однополупериодного выпрямителя.
|