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 I_пр и соответствующее ему прямое напряжение U_пр, допустимое обратное напряжение U_обр и соответствующий ему обратный ток I_обр, допустимая мощность рассеяния Р_рас и допустимая темпе­ратура окружающей среды (до 50°С для германиевых и до 140^оС 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 U_обр = U_проб (рис. 8, а). На рис. 8, б приведена простейшая схема стабили­затора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки r_н. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора U_вх > U_проб (r_н + r)/r_н напряжение между выходными выводами U_вых» U_проб 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. i_н = 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 и_c и на входе вы­прямителя u₂ = -U_msinwt будут равны и откроется диод VD₂. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться. Происходит периоди­ческая зарядка конденсатора фильтра током i_c 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 I_о 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 i_н = 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.