Преобразователи. 111-120 Преобразователи тока и схемы выпрямления. 88 Основы электроники
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
88 Основы электроники ______________________________________________________________________________________________________________________________ Преобразователи тока и схемы выпрямления Принцип действия полупроводникового диода Полупроводниковым диодомназывается прибор с одним р – n - переходом и двумя выводами. Эти выводы называют анод и катод. По конструктивному принципу диоды разделяют на точечные и плоскостные. Точечные рассчитаны на токи до нескольких сотен миллиампер, а плоскостные – до нескольких ампер, в том числе силовые – до нескольких тысяч ампер. Полупроводниковые диоды, рассчитанные на токи от 10 А до 2000 А и более часто называют силовыми неуправляемыми вентилями и маркируют буквой В (вентиль), после которой проставляется число, указывающее значение прямого номинального тока. В качестве силовых в основном используют кремниевые диоды.  Электронно-дырочным переходом (р – n -переходом) называется узкая область, отделяющая полупроводник р-типа от полупроводника n-типа. Если к р-области приложить положительный потенциал, а к n-области - отрицательный (напряжение такой полярности называется прямым), то сопротивление р – n - перехода для основных носителей при этом практически будет равно нулю и через р – n-переход протекает прямой ток (рис. 8.2, а). Если изменить полярность подключения, то сопротивление р – n - перехода для основных носителей будет очень большим и через переход будет протекать весьма малый (практически равный нулю) обратный ток (рис. 8.2, б). Таким образом, р – n - переход обладает односторонней проводимостью. Устройство диодов.  В плоскостных диодах (рис.8.5) основным элементом является пластинка из кремния или германия, в которой методом сплавления или диффузии создан плоский по форме р – n-переход. Для защиты диода от внешней среды пластинку полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка. Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют специальные охладители.  Эта характеристика представляет собой графическую зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения. При включении диода в прямом, т.е. проводящем, направлении ВАХ имеет круто восходящий участок. При изменении прямого тока, проходящего через диод, падение напряжения в нем при таком включении изменяется мало. Чем больше этот ток, тем больше нагревается диод (увеличиваются потери мощности, называемые мощностью рассеяния). Поэтому для каждого диода существует предельный ток, который может быть длительно пропущен через диод, не вызывая его перегрева выше допустимой температуры. Это значение прямого тока является номинальным током диода. При включении диода в обратном, т.е. в непроводящем, направлении через него протекает малый обратный ток (единицы или десятки микроампер). Этот ток мало изменяется при возрастании обратного напряжения. Однако при достижении обратным напряжением некоторого значения Uпроб (напряжения пробоя) обратный ток резко возрастает. В этом случае происходит электрический пробой диода. Выпрямление переменного тока Выпрямителями называют устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий. В зависимости от числа фаз питающей сети различают однофазные и трехфазные выпрямители. Выпрямитель состоит из следующих основных элементов: силового трансформатора, служащего для согласования входного и выходного напряжения выпрямителя, а также разделения питающей сети и цепи нагрузки; блока диодов или тиристоров, осуществляющих выпрямление переменного тока; сглаживающего фильтра, обеспечивающего уменьшение пульсаций выпрямленного тока и напряжения; блок управления тиристорами(входит только в комплект управляемых выпрямителей). О  днополупериодная однофазная схема выпрямления.В этой схеме (рис. 8.15) напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2 изменяется по синусоидальному закону. Ток во вторичной цепи трансформатора при наличии диода и нагрузки RН будет проходить только в течение первого полупериода действия переменного напряжения u2, когда к диоду приложено прямое напряжение. В течение второго полупериода действия переменного напряжения u2 тока в цепи нагрузки не будет, т.к. к диоду будет приложено обратное напряжение и он будет заперт. Следовательно, ток в нагрузке iни напряжение на нагрузке uн будут пульсирующими. Среднее за период значение напряжения на нагрузке Ud называется средним значением выпрямленного напряжения или выпрямленным напряжением. Аналогично, среднее за период значение тока называется выпрямленным током Id. При однополупериодной схеме выпрямления Ud = 0,45U2. Двухполупериодная однофазная мостовая схема выпрямления.  Эта схема (рис.8.17) состоит из трансформатора и четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. К одной диагонали моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузка RН. Диоды в схеме работают парами поочередно. В первый полупериод напряжения u2 ток проводят диоды VD1 иVD3, а диоды VD2 и VD4 закрыты, т.к. к ним приложено обратное напряжение. Во второй полупериод изменяется направление напряжения u2 и ток проводят диоды VD2 и VD4, а диоды VD1 иVD3 закрыты. При этом ток в нагрузке проходит все время в одном направлении. Для этой схемы среднее значение выпрямленного напряжения Ud = 0,9 U2. Трехфазная мостовая схема выпрямления. Э  та схема включает (рис. 8.18) в себя трехфазный трансформатор и шесть диодов. Диоды соединены в две группы: катодную (диоды VD2, VD4, VD6), образующую положительный полюс, и анодную (диоды VD1, VD3, VD5), образующую отрицательный полюс для внешней цепи. В каждый момент работают два диода: один из катодной группы, а другой из анодной. В катодной группе в определенный момент работает тот диод, у которого наибольший потенциал на аноде. В анодной группе в данный момент работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов. Диоды катодной группы открываются в моменты, соответствующие точкам пересечения положительных участков синусоид (а, б, в, г на диаграмме), а диоды анодной группы – в моменты, соответствующие точкам пересечения отрицательных участков синусоид (к, л, м, н). Каждый диод работает в течение 1/3 Т. Положительные полуволны синусоид выпрямляются диодами катодной группы, а отрицательные полуволны – диодами анодной группы. Среднее значение выпрямленного напряжения Ud = 2,34 U2Ф, где U2Ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора. Тиристоры Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя р – n-переходами. Принцип действия тиристора. При наличии между анодом и катодом обратного напряжения тиристор находится в закрытом состоянии. При наличии на тиристоре прямого напряжения тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: закрытом и открытом. Характерной особенностью тринистора (управляемого тиристора) является то, что он может открываться при любом значении прямого напряжения. Для открывания тиристора необходимо подать электрический сигнал на управляющий электрод. При этом тиристор открывается и находится в открытом состоянии, пока к нему приложено прямое напряжение. После открывания тиристора наличие отпирающего сигнала на управляющем электроде необязательно, т.е. управляющий сигнал является кратковременным импульсом. Перевести тиристор из открытого состояния в закрытое с помощью управляющего импульса невозможно. Для закрывания тиристора необходимо, так же как и в случае с динистором, уменьшить прямой ток до величины тока удержания или подать на него обратное напряжение. В цепях переменного тока это происходит при смене полярности питающего напряжения. Промышленностью выпускаются мощные силовые тиристоры различных типов на токи от 10 до 2000 А и более, маломощные неуправляемые тиристоры КН (динисторы) и управляемые тиристоры КУ (тринисторы) на токи до 10 А. Конструкция силовых тиристоров.  Тиристоры штыревой конструкции (рис. 8.13) имеют герметичный корпус и три вывода. Основу конструкции составляет монокристаллическая кремниевая пластина со структурой p-n-p-n, являющаяся выпрямительным элементом. К выпрямительному элементу с обеих сторон припаивают термокомпенсирующие вольфрамовые пластины. Выпрямительный элемент укреплен на медном основании. Это основание является анодом тиристора, выполнено в виде шестигранника и имеет шпильку с резьбой для вворачивания тиристора в охладитель. Катодом является гибкий медный вывод, соединенный через втулку с силовым выводом. Медный вывод припаян к вольфрамовой пластине. Выводом управляющего электрода служит медный провод небольшого сечения, который припаивают к отдельной термокомпенсирующей пластине, соединенной с соответствующей областью выпрямительного элемента. Вывод управляющего электрода изолирован от корпуса и силового вывода стеклянным изолятором. Стабилитроны Кремниевые вентили, выполненные так, что при некотором обратном напряжении Uст наступает электрический пробой их электронно-дырочного перехода, называют стабилитронами. В момент пробоя вентиль пропускает большой обратный ток, причем напряжение на вентиле практически не меняется, что позволяет использовать вентиль для стабилизации напряжения. Пробой обычных вентилей (диодов) вызывает выход их из строя. Для стабилитронов режим пробоя является нормальным рабочим режимом. Изменяя параметры технологического процесса (температуру, содержание примеси в полупроводнике и т.п.), получают стабилитроны с различными напряжениями стабилизации. Стабилитрон Ст включают параллельно нагрузке Rн, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение. Для ограничения тока, проходящего через стабилитрон, устанавливают резистор Rогр. При увеличении входного напряжения Uвх увеличивается ток I ст, проходящий через стабилитрон, общий ток I в цепи и падение напряжения на резисторе R огр. Напряжение U вых на стабилитроне и нагрузке остается почти неизменным. При изменении сопротивления нагрузки Rн ток I перераспределяется между нагрузкой и стабилитроном, а напряжение Uвых не изменяется. При необходимости увеличения напряжения стабилизации включают последовательно несколько стабилитронов. Напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры. Для компенсации температурного влияния последовательно со стабилитроном включают термистор Rт с нелинейным сопротивлением, значение которого уменьшается с ростом температуры. Стабилитроны используют также в качестве датчиков напряжения. Если напряжение Uвх возрастает свыше определенного уровня, стабилитрон Ст пробивается и через включенный последовательно с ним прибор П начинает проходить ток I. |