Выпрямление переменного тока с помощью выпрямительных диодов

Выпрямление переменного тока — один из основных процессов в радио­электронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобра­зуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потреби­телем энергии переменного тока и гене­ратором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые дио­ды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых дио­дов применяется для выпрямления пере­менного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рисунке 2.19, а. В ней последовательно соединены гене­ратор переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор R_н, который можно включать также и в другой про­вод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Пра­вильнее бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор пере­менной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собой комбинацию несколько однофазных однотактных схем.

Рисунок 2.19 – Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом

В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, вклю­ченный в электрическую сеть (рисунок 2.19, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R_н, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрям­лении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемни­ков генератором переменной ЭДС слу­жит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой – резистор с большим со­противлением.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусои­дальную ЭДС е = Е_т sin wt и его внутрен­ним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_н падение напряжения и_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и и_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде им­пульсов, длящихся полпериода и разде­ленных промежутками также в полпе­риода. Этот ток называют выпрямлен­ным током. Он создает на резисторе R_н выпрямленное напряжение.

Графики на рисунке 2.20 наглядно ил­люстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Е_т (рисунок 2.20, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом слу­чае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением I_max (рисунок 2.20, б). Этот же график тока в дру­гом масштабе изображает выпрямлен­ное напряжение и_R, так как и_R = iR_н. Достаточно умножить значения тока на R_н, чтобы получить кривую напряже­ния.

Рисунок 2.20 – Принцип работы простейшего выпрямителя

U_{пр max} = E_m – U_{R max} = E_m – I_maxR_н<<E_m

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1–2 В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е = 200 В и E_m = E = 280 В. Если U_{пр max} = 2 В, то U_{R max}= 278 В. Если бы напря­жение источника (например, 200 В) полностью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе R_н нет падения напряжения. Но это возможно только при R_н=0. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор даёт синусоидальную ЭДС и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_н падение напряжения U_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и U_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпе­риода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_н выпрямленное напряжение.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источ­ника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким об­разом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Рассмотрим подробнее выпрямлен­ное напряжение (все, что будет показа­но для него, относится и к выпрямлен­ному току). Из графика на рисунке 2.20, б видно, что это напряжение сильно пуль­сирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряже­ния является его постоянная составляю­щая, или среднее значение U_ср. Для полусинусоидального импульса с макси­мальным значением напряжения U_max среднее значение за полупериод

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь пе­риод среднее значение вдвое меньше:

U_ср = U_max/p = 0,318 U_max. (2.5)

Приближенно U_ср считают равным 30 % максимального значения. Это при­ближение допустимо, так как действи­тельная форма импульсов всегда не­сколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

U_max » E_m и U_ср» 0,3 E_m. (2.6)

Вычитая из выпрямленного пульси­рующего напряжения его среднее значе­ние, получим переменную составляю­щую U_~ , которая имеет несинусоидаль­ную форму. Для нее нулевой осью яв­ляется прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рисунок 2.21, а).

Рисунок 2.21 - Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения

Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полу­волна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Дли­тельность этих полуволн неодинакова, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

На рисунке 2.21, б изображена переменная составляющая. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего умень­шить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напря­жения.

U_m1= 0,5U_max = 1,57 U_ср. (2.7)

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы.

Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напря­жения в нагрузоч­ном резисторе, т. е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры (рисунок 2.19, б).

В сглаживающем фильтре применя­ются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индук­тивностью, препятствующие прохожде­нию переменной составляющей в нагруз­ку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а сле­довательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет пер­вую гармонику пульсаций, то более вы­сокие гармоники подавляются еще луч­ше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то прак­тически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники.

Простейший метод сглаживания пульса­ций – применение фильтра в виде кон­денсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки R_н (рисунок 2.19, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

1/(wС)<<R_н. (2.8)

В течение некоторой части положи­тельного полупериода, когда напряже­ние на диоде прямое, через диод про­ходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к E_m. В то время, когда ток через диод не проходит, кон­денсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждой следую­щий положительный полупериод кон­денсатор подзаряжается и его напряже­ние снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравни­тельно малое сопротивление диода про­исходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается го­раздо медленнее. Вследствие этого на­пряжение на конденсаторе и включен­ной параллельно ему нагрузке пульси­рует незначительно. Кроме того, конден­сатор резко повышает постоянную со­ставляющую выпрямленного напряже­ния. При отсутствии конденсатора U_ср »0,3 Е_m, а при наличии конденсато­ра достаточно большой емкости U_ср приближается к Е_т и может быть рав­ным (0,80 ¸ 0,95) Е_т и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и R_н тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U_cp к Е_т. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. R_н = ¥), то на конденсаторе получается постоян­ное напряжение без всяких пульсаций, равное Е_m.

Работу выпрямителя со сглаживаю­щим конденсатором иллюстрирует рисунок 2.22, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и на­пряжения на конденсаторе и_С, равного напряжению на нагрузке и_R.

Напряжение на конденсаторе прило­жено плюсом к катоду, минусом к ано­ду диода. Поэтому напряжение на диоде равно разности ЭДС источника и напря­жения конденсатора:

U_д = е – u_C (2.9)

Так как значение u_Cблизко к Е_т, то напряжение и_дстановится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает и_с (вблизи значения Е_т). В эти небольшие промежутки времени через диод прохо­дит ток в виде импульсов, подзаря­жающих конденсатор. В течение осталь­ной части положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение u_д – обратное, ток отсут­ствует и конденсатор разряжается на нагрузку R_н.

Рисунок 2.22 – Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда е=–Е_т. По­скольку напряжение конденсатора также близко к Е_т, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2Е_т. Если цепь нагрузки разомкнута (холос­той ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е_т. Таким образом, наличие конденсатора удваива­ет обратное напряжение, поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдержи­вал это обратное напряжение.

Если требуется уменьшить пульса­ции, а сопротивление R_н мало, то не­обходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т. е. сглаживание пульса­ций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится вклю­чать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с боль­шим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасно короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источ­ника будет приложено к диоду и ток станет недопустимо большим. Происхо­дит тепловое разрушение диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от значения тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямите­лей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными. При выпрям­лении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае по­теря напряжения около 1 В на самом диоде не имеет существенного значения. Например, если при выпрямлении напря­жения 100 В на диоде теряется 1 В, то КПД получается около 99 % (с учетом других потерь он будет, конечно, не­сколько ниже).

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными бо­лее экономичны и выделяют при работе меньше теплоты, что очень важно для других элементов, расположенных вбли­зи. Кроме того, полупроводниковые диоды имеют очень большой срок служ­бы. Но их недостатком является срав­нительно невысокое предельное обрат­ное напряжение – несколько сотен вольт, а у высоковольтных вакуумных диодов оно может составлять десятки кило­вольт.

Диоды применяют в любых выпря­мительных схемах. Если сглаживающий фильтр начинается с конденсатора боль­шой емкости, то при включении пере­менного напряжения на конденсатор проходит импульс тока, часто превы­шающий допустимое значение прямого тока диода. Для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением в единицы или десятки ом.

В диодах, работающих в выпрями­тельном режиме, при перемене поляр­ности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока (рисунок 2.23). Возникают они по двум при­чинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость n-p-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит разряд диффузионной емкости, т. е. рас­сасывание неосновных носителей, нако­пившихся в n- и р-областях. Эти носи­тели во время прохождения прямого тока инжектируют через переход и, не успев рекомбинировать или уйти, накап­ливаются в n- и р-областях. Практи­чески главную роль играет больший заряд, накопившийся в базовой области.

Рисунок 2.23 – Импульсы обратного тока диода

Например, если концентрация элект­ронов в n-области значительно больше, чем концентрация дырок в р-области, то n-область является эмиттером, а р-область – базой. Инжекция электронов из n-области в р-область преобладает над инжекцией дырок в обратном на­правлении. Поэтому электроны накапли­ваются главным образом в р-области. При обратном напряжении этот заряд рассасывается, т. е. электроны начинают двигаться в обратную сторону – из р-области в n-область. Возникает импульс обратного тока. Чем больше прямой ток, тем сильнее поток инжектированных носителей (электронов в данном приме­ре) и тем больше образованный ими заряд, а следовательно, больше импульс обратного тока. Когда это скопление носителей рассосется и практически окончится заряд барьерной емкости, то останется лишь ничтожно малый обрат­ный ток, который можно не принимать во внимание.

С повышением частоты импульс об­ратного тока увеличивается. Это объ­ясняется тем, что при более высокой частоте обратное напряжение возрастает быстрее. Следовательно, большим то­ком, т. е. быстрее, происходит заряд барьерной емкости. Иначе говоря, ем­костное сопротивление с повышением частоты уменьшается и обратный ток соответственно увеличивается. Рассасы­вание зарядов, образованных инжекти­рованными носителями, также происхо­дит быстрее, и от этого импульс обрат­ного тока также возрастает.

На низкой частоте импульс обрат­ного тока весьма мал и его длитель­ность во много раз меньше полупериода. А на некоторой высокой частоте им­пульс обратного тока может иметь при­мерно такую же амплитуду, как импульс прямого тока, и длится он в течение всего полупериода. Если площадь им­пульсов прямого и обратного тока будет одинакова, то постоянная составляю­щая (среднее значение) тока станет рав­ной нулю, т. е. выпрямление прекра­тится. Практически диоды рекоменду­ется применять для выпрямления только до такой предельной высокой частоты, при которой постоянная составляющая выпрямленного тока снижается не более чем на 30 % по сравнению с ее значе­нием на низкой частоте.

При повышении температуры сопро­тивления R_np и R_o6p диодов уменьша­ются, но это обычно мало влияет на выпрямление. Дело в том, что прямой ток определяется сопротивлением на­грузки R_н, которое обычно во много раз больше R_np, a R_o6p даже у нагрето­го диода еще достаточно велико по сравнению с R_н, и поэтому обратный ток остается малым по сравнению с пря­мым.

Работа диодов в низкочастотных выпрямляющих устройствах характе­ризуется несколькими параметрами. К ним относятся средние за период зна­чения прямого тока I_{пр ср} и соответ­ствующего ему падения напряжения на диоде U_{пр ср}, обратного напряжения U_{обр. ср} и соответствующего ему обрат­ного тока I_{обр ср.} Ток I_{пр ср} часто назы­вают выпрямленным током, и весьма важными являются максимальные допустимые (предельные) значения обрат­ного напряжения U_{o6p. max}, прямого (или выпрямленного) тока I_{пр max} и температу­ры корпуса t_{кор max}, а также максималь­ная рабочая частота f_max.