лекция. Лекции Полупроводниковые приборы
 Скачать 1.16 Mb.
|
Полупроводниковый диод[2] Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n-переходов. ((Условное графическое обозначение п/п диода приведено на рисунке 2.1а, а его структура на рис. 2.1б.)) 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:  где R-сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называется последовательным сопротивлением. Статическая ВАХ полказана на рис. 2.1в. Следует отметить, что 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  .3. полупроводниковые выпрямители Однополупериодные выпрямители. Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 4.2, а) 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. 4.2 а,б В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VDпотенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение  на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке  и в ней возникнет ток  (рис. 4.2, б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет отрицательный относительно катода 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. 4.2,6): (4.1)Если напряжение изменяется по синусоидальному закону  то (4.2)Заменив амплитудное значение напряжения  его действующим ( ), получим (4.3)Отсюда   (4.4)т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке. Постоянную составляющую выпрямленного тока  можно подсчитать по формуле: (4.5)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 (4.6)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  , в нашем случае равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора , т. е. (4.7)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 основе двух соображений. Во-первых, диод должен обладать определенной электрической прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:  (4.8)где  - максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.Если неравенство (4.8) 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  (4.9)Если неравенство (4.9) не выполняется, то необходимо подобрать диод с более высоким значением  или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.Из рис. 4.2, б видно, 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 [см. (4.3)]. 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 (4.10)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  (4.11)Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с учетом (4.10)  (4.12)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: или  где п-коэффициент трансформации. Из (4.5) находится амплитуда тока вторичной обмотки  , поэтому ток первичной обмотки несинусоидален. Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле  (4.14)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  (4.15)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:  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. Двухполупериодные выпрямители. Двухполупериодные схемы выпрямления бывают двух типов, схема c выведенной средней точкой вторичной обмотки трансформатора и мостовая схема. Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рис. 4.3, а) состоит из трансформатора  , вторичная обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки, двух диодов  и  . Данная схема представляет собой сочетание двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода (интервал 0-) диод будет открыт, так как к аноду диода приложен положительный потенциал с верхней точки вторичной обмотки трансформатора, а катод через нагрузку подключен к среднему выводу вторичной обмотки, который имеет отрицательный  рис. 4.3 а,б потенциал. Через нагрузку будет проходить ток  первого диода (см. рис. 4.3). На этом же отрезке времени к диоду будет приложено обратное напряжение (с другой половины вторичной обмотки трансформатора) и он окажется закрытым. В течение следующего полупериода (интервал -2) прямое напряжение окажется приложенным ко второму диоду, а обратное- к первому диоду, поэтому открытым будет диод и по нагрузке проходит ток.Таким образом, ток в нагрузке в течение всего периода переменного напряжения протекает в одном и том же направлении. Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение  .Основные параметры схемы: Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке за период будет в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении, и тогда с учетом (4.3) (4.17)где действующее значение напряжения на одной из полуобмоток трансформатора.Среднее значение выпрямленного тока:  Максимальное обратное напряжение на диоде например на (см. рис. 4.3, а), определяется максимальным напряжением между концами вторичной обмотки, так как к аноду диода приложено напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в данный момент отрицательное, а к катоду через диод ,который проводит ток, приложено положительное напряжение нижнего конца вторичной обмотки. Используя (4.17), получим (4.18)Следовательно, в двухполупериодной схеме максимальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение. Если в данной схеме ток через каждый диод проходит только в течение половины периода, то это же время через нагрузку он идет в течение всего периода. Это означает, что среднее значение тока через диод в 2 раза меньше, чем среднее значение тока через нагрузку . Действующее значение токов, проходящих через первичную и вторичную обмотки трансформатора:   Максимальное значение тока вентиля  Среднее значение тока через диод  равно половине тока нагрузки, так как в схеме поочередно проводят ток два вентиля: (4.19)Действующее значение тока вентиля  Мощности обмоток трансформатора Для первичной обмотки:  где  для вторичной обмотки:  Расчетная мощность трансформатора  Коэффициент пульсаций  Из временных диаграмм (рис. 4.3, б) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети. Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций k = 0,67, следовательно, рассмотренная схема дает более cглаженное выпрямленное напряжение, чем однополупериодная. Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного выпрямления не подмагничивается, так как во время четных полупериодов постоянная составляющая тока, проходя по нижней части вторичной обмотки трансформатора, размагничивает сердечник трансформатора, который намагнитился во время нечетных полупериодов. Ток первичной обмотки несинусоидален. Так как для получения выпрямленного напряжения необходим трансформатор со средним выводом вторичной обмотки и каждая из половин вторичной обмотки работает только полпериода, то вторичная обмотка в этой схеме выпрямления используется не полностью и коэффициент использования обмоток трансформатора ниже. Сравнивая двухполупериодную схему выпрямления с однополупериодной, можно сделать следующие выводы: среднее значение тока диода уменьшается в 2 раза при одном и том же токе нагрузки; меньше коэффициент пульсаций (0,67), лучше используется трансформатор; обратное напряжение в обоих схемах одинаково. Однако есть и недостатки: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора, а также наличие двух диодов вместо одного. |