Випрямлячі напівпровідникових діодів

Як вже зазначалося вище, до 40% всієї електричної енергії, що виробляється електростанціями країни у вигляді змінної напруги, перетвориться в постійне. Для цього іспользуются- випрямні пристрої на напівпровідникових діодах і тиристорах.

На рис. 6.4. наведені принципова схема і тимчасові діаграми струмів і напруг найпростішого однофазного однополупериодного випрямляча з конденсатором С ф. включеному паралельно навантаженні.

Розглянемо роботу випрямляча в сталому режимі. Струм через діод (Іа) начінаетпротекать, коли напруга на вторинній обмотці трансформатора (U2) стає більше напруги на конденсаторі (Uc), що відповідає інтервалах часу t1 - t2 і t3. - t4.

За цей час t1 - t2 відбувається заряд конденсатора Сф. Як правило постійна часу заряду конденсатора # 964; зар = Rд * C вибирається таким чином, що конденсатор встигає зарядиться до амплітудного значення напруги Um2 на виході вторинної обмотки трансформатора. При цьому заряд конденсатора триває до величини Um2, а потім починається його розряд, так як напруга U2 (t) виявляється менше Uс. Однак у випадках, коли величина С обрана дуже великий, постійна часу заряду конденсатора (# 964; зар = Rд * CФ) виявляється сумірною з інтервалом (t1 - t2) .При цьому конденсатор С не встигає зарядиться до амплітудного значення напруги U2 і його заряд триває після проходження амплітудного значення Um2 .Саме такий випадок зображений на рис.6.4. Тільки з моменту часу t2 напруга U2 (t) стає менше напруги на конденсаторі Uc, діод закривається, і конденсатор починає розряджатися через опір навантаження RH. Час розряду конденсатора визначається постійної ча-мени (# 964; раз = Rн * Сф) і, як правило, значно більшою ніж час заряду. До замкненого вентиля в цей час прикладається нап-ряджені, максимальне значення якого майже дорівнює подвоєному значенню Um2.

Мал. 6.4.Прінціпіальная схема і тимчасові діаграми струмів і

напруг однополупериодного випрямляча з ємнісним фільтром.

До моменту часу t3 напруга U2 знову стає більше напруги Uc, діод відкривається і струм Iаначінает заряджати конденсатор C і т. Д.

Якщо потрібно забезпечити більш високий коефіцієнт згладжування пульсацій випрямленої напруги, використовуються більш складні фільтри нижніх частот; Г-образні LC або RC типу (див. Рис.6.5.).

Мал. 6.5. Схема Г-образних фільтрів LC і RC типу.

В результаті падіння напруги на індуктивному котушці Lф значно зменшується частка змінної складової випрямленої напруги. Падіння напруги від постійної складової струму практично немає, так як активний опір індуктивної котушки мало. У малопотужних випрямлячах замість котушки індуктивності (див. Рис.6.5) включають резистор Rф.

Істотним недоліком однополуперіодних випрямлячів є нерівномірне навантаження мережі змінного струму, так як випрямлячі цього типу споживає електроенергію тільки під час позитивного або негативного напівперіодів змінної напруги.

Тому, як правило, для отримання постійної напруги використовуються двухполуперіодні випрямлячі, рівномірно завантажують електричну мережу. Прикладом такого випрямляча є мостіковий, в якому для отримання випрямленої напруги використовуються чотири діода, включених по мостовій схемі.

Мостикову ВИПРЯМЛЮВАЧ НА

На рис. 6.6. приведена принципова схема двухполуперіодного випрямляча, зібраного по бруківці схемою. На цьому ж малюнку наведені тимчасові діаграми, що пояснюють роботу випрямляча.

Рис.6.6. Принципова схема мостового двухполуперіодного випрямляча (а) і часові діаграми (б, в, г), що пояснюють процеси, що відбуваються.

Розглянемо особливості роботи випрямляча. Під час позитивного напівперіоду напруги U2 (t) на виході трансформатора відкриті діоди В1 і ВЗ. а діоди В2 і В4 закриті. Протягом негативного напівперіоду U2 (t) діоди В1. ВЗ. закриті, а В2. В4 - відкриті. В результаті через діоди в кожному напівперіод протікає імпульсний струм id (див. Рис. 6.6 в), заряджаючий (при замкнутому перемикачі S) конденсатор Сф За час протікання струму Сф заряжаетсядо напруги Uс, яке трохи менше максимального напруження Um2. Відмінність Uс від Um2 невелика і обумовлено падінням напруги на напівпровідникових діодах і вторинної обмотки трансформатора.

Після того як конденсатор зарядиться до напруги, близького до Um2. ток id (t) припиняється, так як поточне значення напруги U2 (t) стає менше Uс = Um2 При цьому конденсатор починає розряджатися через опір Rн (см.ріс.6.6.в) .Залежність від часу струму (Iн), що протікає через опір навантаження, наведена на ріс.6.6.г.На малюнку 6.6.в пунктиром зображена також тимчасова діаграма зміни струму id (t) при розімкнутому перемикачі S.

Як видно з розгляду цих залежностей, при відключеному конденсаторі на навантаженні утворюється пульсуючі напруга. Включення конденсатора робить напруга на навантаженні більше плавним. Чим більше величина конденсатора, тим сильніше згладжено напруга на навантаженні. Тому на виходах випрямлячів, використовуваних в ЕОМ, зазвичай включаються конденсатори, ємність яких складає долі Фаради.

Як уже зазначалося в попередньому розділі, в тих випадках, коли необхідно зменшити пульсації напруги, на виході випрямляча включаються додаткові фільтри нижніх частот. Істотно можна зменшити пульсації на виході випрямляча також при використанні стабілізаторів напруги.

Тиристорами називають широкий клас напівпровідникових приладів релейного типу. До них відносяться: діністори - некеровані релейні прилади, виконані з трьох послідовно включених «р-п» переходів; тріодних керовані напівпровідникові прилади, призначені для перемикання напруг одного знака, сімістори, використовувані для перемикання позитивних і негативних напруг і ін.

Загальною властивістю всіх тиристорів є їх здатність перебувати в двох станах; - вимкненому, коли його опір великий і включеному, коли його опір стає малим, а протікає через нього струм великим (десятки і сотні Ампер). Час перемикання тиристора з одного стану в інший мало (десятки мкс). Після перемикання з закритого стану у відкрите, що протікає через тиристор ток залишається великим до тих пір, поки не буде вимкнено або змінить свій знак напруга між анодом і катодом. Нижче основна увага приділяється розгляду тріодних тиристорів. Тріодних тиристори широко використовуються при побудові керованих випрямлячів, перемикачі-лей електричної напруги, а також в інверторах.

Тріодний тиристором називають електронний прилад з трьома р-п переходами і трьома омічними висновками (см.ріс.6.7.). Два виведення тиристора (анод і катод) підключаються до джерела живлення, а третій до джерела напруги, що управляє (Uу). Тріодної керований тиристор складається з трьох р-п переходів I, II, і III. Напруга живлення подається на тиристор таким чином, що переходи I і III відкриті, а перехід II закритий. Опір відкритому-тих переходів мало і тому майже вся напруга живлення E докладено до закритого переходу II, що має велике опираючись-ня.

При цьому струм, що протікає через тиристор, дуже малий (одиниці мА) і тиристор знаходиться в закритому стані. При вимкненому керуючому напружень в міру збільшення напруги між анодом і катодом транзистора, що досягається збільшенням е.р.с джерела живлення Е, ток тиристора збіль-личивается незначно до тих пір, поки це напруга не досягне напруги пробою «р-п» переходу II . Після цього відбувається лавиноподібне збільшення числа носіїв заряду за рахунок лавинного множення носіїв в переході II, що призводить до різкого зменшення його опору. В результаті тиристор переходить у відкритий стан. Напруга Uпер. при якому починається лавиноподібне наростання струму, може бути знижено введенням неосновних носіїв заряду в кожній із верств, прилеглих до переходу II. Додаткові носії заряду вводяться в р2 шар керуючої ланцюгом, що живиться від неза-мого джерела напруги Uy.

Рис 6.7. Структурна схема тиристора.

На рис.6.8. наведені статичні вольтамперні характеристики керованого триодного тиристора

Мал. 6.8.Вольтамперние характеристики тиристора

при різних значеннях керуючого струму.

На рис.6.8 по осі абсцис відкладено напруга між анодом і катодом тиристора (Uак), а по осі ординат струм, що протікає через тиристор (Іа).

З рис. 6.8. видно, що при зростанні то-ка управління (Iу) напруга включення тиристора знижується, тобто ток 1У управляє напругою включення тиристора.

При великому значенні керуючого струму потрібно більш низька анодна напруга, при якому відбувається лавин-ве наростання струму.

Точка С, розташована на нижній ділянці прямої гілки ВАХ тиристора при відсутності керуючого струму (1У = 0), є граничною. При напрузі між анодом і катодом тиристора, відповідному цій точці, відбувається лавинний пробій р-п переходу II. Тому напруга на тиристорі в цій точці називають напругою перемикання Unep.

У початковому стані при струмі управління рівному нулю і напрузі на аноді тиристора Uак меншому напруги перемикання тиристора, тиристор закритий.

При подачі керуючого імпульсного напруги тиристор відкривається при Uа меншому Uпер. Чим більше Iу, тим при меншому Uа відкривається тиристор. Зазвичай Iу вибирають таким чином, щоб тиристор відкривався при U рівному 1..2 В. При відкриванні тиристора робоча точка зміщується з точки А в точку В на його ВАХ. Після перемикання тиристора у відкритий стан струм через нього різко зростає. Замикання тиристора відбувається тільки при зміні знака прикладеної до анода напруги з позитивного на негативне. При цьому прямий струм через тиристор зменшується до нуля і після розсмоктування заряду неосновних носіїв тиристор замикається.

Струм і падіння напруги на тиристорі можна визначити графічно, побудувавши на ВАХ тиристора лінію навантаження, відповідну опору R. Для цього проводять пряму лінію, що проходить через точки з координатами (0; E / R) і (Е; 0). Координати точки перетину цієї лінії з ВАХ тиристора визначають струм і напруга на тиристорі в закритому і відкритому станах (точки А і В).