Схемы выпрямления и инвертирования переменного тока.

Для выпрямления переменного тока, т.е. для преобразования его в пульсирующий, на ЭПС применяются силовые кремниевые или германиевые неуправляемые или управляемые диоды. Последние называются тиристоры.

Принцип работы диода.

Рис.1.

Четырёхвалентный кремний обладает очень малой собственной проводимостью, т.е. валентные электроны незначительно перемещаются внутри полупроводника. Кремний обладает свойствами свойствами полупроводника, т.е. свойствами изолятора и проводника.

При внесении в кремний 5-ти валентного элемента (мышьяк, фосфор) в пластине кремния образуется избыток электронов, пластина будет обладать

n – проводимостью (n –негатив, отрицательный).

При внесении в кремний 3-х валентного элемента (бор, индий) пластина будет обладать p – проводимостью(p –позитив, положительный), т.к. в пластине образуется избыток положительно заряженных «дырок».

При соединении пластин pи n «дырки» из пластин p будут проникать (диффундировать) в пластину n. Избыток образовавшихся электронов в пластине p будут скапливаться на границе соединения пластин. Аналогично, электроны, проникая из пластины n в пластину p, оставляют избыток «дырок» на границе раздела. Образуется потенциальный барьер П(рис. 1).

При подключении «плюс» к пластине n , а «минус» к пластине p (обратное включение) электроны из пластины n устремляются к «плюсу» источника тока, тем самым увеличивая за счёт образовавшихся «дырок» ширину потенциального барьера. Аналогично, «дырки» устремляются из пластины pк «минусу» источника тока и за счёт образовавшихся свободных электронов увеличивают ширину потенциального барьера. Сопротивление очень велико и ток через переход проходить не будет, т.е. переход n - p является не проводящим (рис. 2)

Рис.2

При подключении «плюс» к пластине p , а «минус» к пластине n (прямое включение) электроны из пластины p устремляются к «плюсу» источника тока, а

«дырки» из пластины n устремляютсяк «минусу» источника. Таким образом потенциальный барьер разрушается, его сопротивление резко падает и полупроводник способен пропустить большой ток.

-3-

Переход p -n является проводящим (рис. 3). Полученный электронный прибор называется «диод» и обозначается на схеме

Рис. 3.

Пластина p называется «анод», а пластина n – «катод». Таким образом, диод будет открыт только тогда, когда потенциал на аноде будет больше, чем на катоде. В цепи переменного тока он открыт только в положительный полупериод, а в отрицательный закрыт.

Рис.4

Из вольт-амперной характеристики (рис. 4) видно, что прямое падение напряжения на диоде очень мало единицы вольта. Прямой ток может быть очень большим (до 2500 А).

При приложении обратного напряжения обратный ток составляет миллиамперы. При достижении обратного напряжения какой-то величины «напряжения пробоя» наступает пробой диода (или «вентиля», по аналогии с водяным вентилем, пропускающим воду в одном направлении) и он становится обычным проводником, т.е. теряет свои полупроводниковые свойства. Как правило, пробой наступал в одной точке p -n перехода. В дальнейшем за счёт улучшения технологии удалось добиться изготовления так называемых «лавинных» диодов, у которых пробой обратным напряжением происходит не в одной точке, а по всей площади перехода, т.е. «лавинообразно» и такие диоды получили название «лавинные». После снятия обратного напряжения диод восстанавливает свои полупроводниковые свойства.

Обозначение в схеме

Таким образом, диод будет открыт, если потенциал на аноде будет больше, чем на катоде.

Если раньше маркировка диода была, например, Д200-4-0,58, т.е. у «лавинного» диода ДЛ200-4-0,58.

Д – диод;

200 – допустимый ток в А;

4 – класс, указывающий на число сотен вольт обратного напряжения (400 В);

0,58 – падение напряжения при прохождении в прямом направлении тока 200 А.

-4-

При замене диоды должны подбираться по величине падения напряжения одинаковыми.

Принцип работы стабилитрона.

Разновидностью диода является стабилитрон, для которого нормальным режимом работы является включение его на обратное напряжение. Стабилитрон используется либо в качестве датчика сигнала (рис.5), либо в качестве стабилизатора напряжения (рис.6). Обозначение в схеме

Рис.5.

Рис.6

Принцип работы транзистора.

Если соединить три пластины p, n и p, то получим электронный прибор, называемый «транзистор». Левая пластина называется «эмиттер», средняя – «база», а правая – «коллектор». Переход n - p является не проводящим и поэтому ток по цепи эмиттер – коллектор проходить не будет. Транзистор открывается в том случае, если на базу будет подан отрицательный потенциал (отрицательное смещение). В этом случае потенциальный барьер перехода n - p разрушается за счёт того, что «дырки» устремляются к «минусу», поданного на базу (рис. 7). Транзистор является усилителем электрических сигналов.

Рис.7

Если на базу подать потенциал, равный потенциалу эмиттера, то транзистор закроется. Обозначение в схеме транзистора p -n - p

Принцип работы тиристора.

Если соединить четыре пластины p, n, p, n , то получим электронный прибор, называемый «тиристор». Левая крайняя пластина называется «анод», а правая крайняя – «катод». Переход n - p является не проводящим и поэтому ток по цепи анод – катод проходить не будет. Тиристор можно открыть, если на управляющий электрод (рис. 8) подать положительный потенциал в пределах 0,3 – 3 В и тогда по цепи анод – катод можно пропускать очень большой ток (такой же, как и в диоде). Обозначение в схеме

-5-

Рис.8.

Тиристор имеет три стабильных состояния:

1) заперт при приложении прямого напряжения;

2) заперт при приложении обратного напряжения;

3) тиристор открыт.

После подачи импульса на управляющий электрод тиристор будет продолжать оставаться открытым и после снятия импульса.

Закрыть его можно двумя путями:

1) снятием напряжения с анода;

2) приложением обратного напряжения.

При выпрямлении переменного тока тиристор закрывается автоматически в отрицательный полупериод. Тиристор позволяет не только выпрямлять переменный ток, но и моментом подачи импульса на управляющий электрод регулировать величину выпрямленного напряжения. Этот момент подачи импульса называют углом регулирования α (рис. 9). Из рисунка видно, что чем меньше угол регулирования α, тем больше выпрямленное напряжение.

Если α = 180º , то напряжение равно 0.

Если α = 0 , то напряжение максимально.

Рис.9

Однополупериодная схема выпрямления на диодах.

Выпрямленное напряжение в два раза меньше напряжения трансформатора. Из-за большой пульсации (провал напряжения в отрицательный полупериод) схема находит очень малое практическое применение (используется на электропоездах ЭД 9М при трогании с места).

Двухполупериодная схема выпрямления с нулевым выводом.

Каждый полупериод под нагрузкой находится одна полуобмотка трансформатора, т.е. мощность потребителя должна быть в два раза меньше мощности трансформатора.

Схема нашла применение на ВЛ 80Р и ВЛ 85 для питания последовательно соединённых обмоток возбуждения ТЭД в режиме рекуперации.

-6-

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления.

Такая схема выпрямления нашла широкое применение на ЭПС в сочетание со ступенчатым регулированием напряжения на ТЭД (ВЛ 60, ВЛ 80, электропоезда).

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления на тиристорах.

Такая схема позволяет не только выпрямлять переменный ток, но и регулировать величину выпрямленного напряжения (а значит и тока) на нагрузке. При этом достаточно поставить тиристоры в два плеча, работающие в разные полупериоды. Схема получила название «полууправляемый» мост. Применяется на электропоезде ЭД 9М.

Тяговый трансформатор.