Устройство полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n - переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура представлены на рис. 2а. Электрод диода, подключенный к области P, называют анодом, а электрод, подключенный к области N - катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n - переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением.

При большом токе через p-n - переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. ВАХ выпрямительного диода имеет вид:

, (5)

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называется последовательным сопротивлением.

Следует отметить, что на показанной статической ВАХ (рис. 2б) масштаб первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего, т.к. обратный ток диода несоизмеримо мал по сравнению с прямым. Поэтому, если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока сольется с осью .

 

2 полупроводниковые выпрямители

Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 3а) является простейшей из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток трансформато­ра равны нулю.

Рис. 3. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (а),

и основные диаграммы (б)

В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VD потенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке и в ней возникнет ток (рис. 3б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет относительно катода отрицательный потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную составляющую в пределах периода, можно найти из следующего равенства (см. рис. 3б):

. (6)

Если напряжение изменяется по синусоидаль­ному закону , то

. (7)

 

Заменив амплитудное значение напряжения его действующим значением (), получим:

. (8)

Отсюда:

, (9)

т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное на­пряжение на нагрузке. Постоянную составляющую вы­прямленного тока можно подсчитать по формуле:

. (10)

Обычно значение напряжения , так же как тока, задается при расчете выпрямителя.

Если напряжение сети известно, то коэффици­ент трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения заданного напряжения на нагруз­ке, должен быть равен

. (11)

Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной об­мотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называе­мая обратным напряжением , равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора , т. е.

(12)

Таким образом, максимальное обратное напря­жение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

При проектировании однополупериодных выпря­мителей важно правильно выбрать тип диода, кото­рый удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основании следующих соображений:

· диод должен обладать определенной электрической прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:

, (13)

где - максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.

Если неравенство (13) не выполняется, необходи­мо либо взять диод с более высоким допустимым обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов последовательно.

· Во-вторых, допустимый ток диода должен превы­шать величину . Поэтому необходимо, чтобы

. (14)

Если неравенство (14) не выполняется, то необхо­димо подобрать диод с более высоким значением или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.

Из рис. 3бвидно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды и частоты. Постоянная составляющая , т.е. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, была опре­делена ранее (8). Из переменных составляю­щих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно доказать, что для однополупериодной схемы ампли­туда первой гармоники:

. (15)

Частота первой гармоники равна частоте сети так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.

Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций:

. (16)

Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с учетом (15):

, (16)

т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.

По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая тока нагрузки . Она подмагничивает сердечник трансформатора. В стали трансформатора возникают потери, увеличивается ток холостого хода трансформатора и снижается КПД всего устройства.

Для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали трансформатора приходится увеличивать сече­ние его сердечника. Это увеличивает габариты и массу всего выпрямителя.

Постоянная составляющая тока в отличие от переменных не трансформируется в первичную об­мотку трансформатора, поэтому для определения величины и формы тока в первичной обмотке нужно вычесть из тока вторичной обмотки постоянную составляющую и мгновенные значения тока изме­нить в п раз:

, (17)

или

, (18)

где п - коэффициент трансформации.

Из (10) находится амплитуда тока вторич­ной обмотки , поэтому:

, (19)

 

ток первичной обмотки несинусоидален.

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле:

. (20)

При определении мощности трансформатора не­обходимо учитывать не только постоянные, но и переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность называется габаритной и определяется действующими значениями тока и напряжения:

, (21)

где - габаритные мощности вторичной и первичной обмотки трансформатора.

В однополупериодной схеме выпрямления габа­ритная мощность вторичной обмотки больше, чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки, следовательно, габаритная мощность трансформатора также возрастает. Это является недостатком однополупериодной схемы выпрямления.

Коэффициентом использования трансформатора называется отношение полезной мощности выпрямителя к габаритной мощности трансформатора:

. (22)

Большой коэффициент пульсации, большие разме­ры трансформатора вследствие плохого использова­ния его обмоток, большое обратное напряжение на диод ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на ее простоту.