Выпрямители

Назначение выпрямителей — преобразование переменного тока в ток только одно­го направления. Это достигается применением диодов. До полупроводниковых ди­одов, в основном кремниевых, применялись термоэлектронные диоды — селено­вые и, при большой мощности сигнала, ртутные. Принцип действия диодных схем описан выше (см. гл. 5.1). На рис. 13.11 представлена вольт-амперная характерис­тика кремниевого диода срп-переходом. На ней видно, чтозначительный ток про­текает через диод, если напряжение на его переходе превышает пороговое (обычно это 0,7 В), а в обратном направлении наблюдается очень маленький ток до дости­жения напряжения порога пробоя. Поэтому для диодов устанавливается предел обратного напряжения.

Зависимость тока от напряжения в диодах (см. рис. 13.11) описывается уравне­нием:

где V — приложенное напряжение; I — ток через диод; I_s — ток утечки при отрицательном напряжении, ток насыщения; η — постоянная величина, которая изменя­ется от 2 при малых токах (менее 20 мА) до 1 при больших токах; V_T» 28 мВ при комнатной температуре для кремниевых диодов.

Два примера аппроксимации уравнения (13.20) представлены на рис. 13.13 и 13.14. В первом случае при напряжении больше 0,7 В экспонента вольт-амперной характеристики заменяется прямой линией. Эквивалентная схема этой аппрокси­мации изображена на рис. 13.13, б.

Необходимые для «включения» диода 0,7 В можно не учитывать, если схема выпрямителя применяется для высоких напряжений. Поэтому используется второй вариант аппроксимации. Его эквивалентная схема изображена на рис. 13.14, б. Сле­дует заметить, что, хотя падение напряжения на диоде 0,7 В незначительное, оно способствует дополнительному рассеиванию мощности (Р_доп = 0,7I), которое нельзя не учитывать.

Скорость переключения диодов в схеме выпрямителя — очень важный пара­метр, который необходимо учитывать при выборе типа диода. Разумеется, особен­но внимательно следует выбирать диоды для выпрямителей напряжения высокой частоты. При прямом смещении напряжения p-n-переход способен пропустить боль­шое количество носителей заряда. При обратном смещении напряжения рп-пере­ход пропускает лишь небольшое количество неосновных носителей заряда. Следовательно, при переключении диода только неосновные носители прохо­дят р-п-переход. На рис. 13.15 представлены схема и диаграммы процесса переклю­чения диода. После изменения приложенного напряжения с прямого на обратное ток определяется как:

Ток сохраняет эту величину до момента времени после которого он уменьша­ется до устойчивого состояния I_s(см. уравнение (13.20)). Напряжение на диоде в диапазоне времени отt= 0 доt=t₁маленькое. Оно увеличивается до устойчивого обратного состоянияV_Rпослеt₁с такой же скоростью, с какой уменьшается ток. Таким образом, время восстановления диода при переключении в обратное на­правление характеризует важный его параметр — скорость переключения. Обычно

У большинства выпускаемых диодов для небольших токов оно составляет 5 нсек, а для мощных диодов — несколько микросекунд. Время переключения диода из об­ратного состояния в прямое намного меньше, поэтому его не учитывают.

В выпрямителях используются также диоды Шотки, у которых переход форми­руют кремний и алюминий, и по нему проходят только основные носители. Следо­вательно, t₁у диодов Шотки равна 0 и скорость переключения бесконечно большая. Это самое главное преимущество диодов Шотки. Второе преимущество — порого­вое напряжение перехода меньше на 0,3 В, поэтому и рассеивание энергии на ди­оде будет меньше. Это может быть решающим фактором выбора диода Шотки для выпрямителей больших токов. Недостатком диодов Шотки является большой ток утечки при обратном включении Is и более низкое напряжение пробоя (200 В).

Схема простого полуволнового выпрямителя представлена на рис. 13.16, а. Диод пропускает только одну полуволну переменного тока. Напряжение на нагрузке оп­ределяется по закону Ома и, следовательно, имеет такую же форму волны, как и ток. Эквивалентная схема выпрямителя изображена на рис. 13.17, а. Диаграммы входного напряжения и напряжения на нагрузке представлены на рис. 13.17, б. При прямом включении ток начинает проходить через переход диода после достижения напряжения порогового значения. Напряжение на нагрузке в течение положитель­ной полуволны определяется как:

Падение напряжения на диоде v_Dопределяется как разница между входным напряжением и напряжением на нагрузке.

Очень важно обеспечить минимальное падение напряжения на диоде в целях уменьшения рассеивания энергии и потерь напряжения на диоде.

Во время отрицательной полуволны напряжение на нагрузке равно:

Схема двухполупериодного выпрямителя представлена на рис. 13.18. Вторичная обмотка трансформатора разделена на две части, и на выходе снимается два напря­жения со сдвигом фазы. При этом максимальная величина реверсивного напряже­ния на диоде в 2 раза больше максимального напряжения на нагрузке:V_AC= 2v_i.

Напряжение на D ₁и на D₂= 2v_i. Так как в любой момент времени ток протекает только по одному диоду, то и рассеивание энергии в этот момент происходит толь­ко на одном диоде.

Среднее значение выпрямленного тока за полупериод определяется как:

Следует заметить, что пределы интеграла указаны для полупериода.

Среднее значение двухполупериодного выпрямленного тока определяется как удвоенное среднее значение выпрямленного тока за полупериод:

Схемой, аналогичной изображенной на рис. 13.18, является мостовая схема выпрямителя (рис. 13.19, а). Диаграммы токов и напряжений в мостовой схеме представлены на рис. 13.19, б.