ЧАСТЬ А: Электрические схемы выпрямителей

Схема 1: Простейший однополупериодный выпрямитель

U _вх = U _m sinω t, ω= 2π f _сети, f _сети =50 Гц. Так как , то модель поведения диода – простейшая, то есть идеальный диод (вентиль), его ВАХ показана на рисунке (U _пор≈0,6В):

Данный рисунок показывает напряжения в цепи: Uвх, Uн и ток iн. 1, 2, 3 – это полупериоды.

, где , , .

.

Итоги: 1) Пульсирующее напряжение на нагрузке (и ток);

2) Постоянная составляющая (среднее значение):

; .

3) Есть постоянная составляющая тока источника сигнала (трансформатора), т.е. постоянное подмагничивание сердечника трансформатора.

4) Коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя равен 1,57.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения определяют так

К _пульс = Um1/Uср.

Здесь Um1 – амплитуда первой (основной) гармоники пульсаций.

5) Диод выбирается с учетом максимального обратного напряжения на диоде
U обр max = Um и максимального тока диода Iд max = Um / Rн.

1) и 3) и 4) – это недостатки схемы, которые устраняются в схемах двух-полупериодных выпрямителей.

ЧАСТЬ Б: Работа реального выпрямителя (с учетом сглаживающего конденсатора).

Рассмотренные схемы выпрямителей имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания электронной аппаратуры часто требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсаций, не превышающим нескольких процентов. Для уменьшения пульсаций используют специальные устройства – сглаживающие фильтры. Простейший из них – это емкостной фильтр со сглаживающим конденсатором (фильтрующий конденсатор), см. схему применительно к однополупериодному выпрямителю.

На рисунке ниже представлены напряжения и ток (заштрихован) для этой схемы.

Работа схемы.

1) - интервал заряда конденсатора через открытый диод.

мало, когда диод открыт, поэтому постоянная заряда конденсатора - малая величина. Заряд конденсатора напряжением U _ВХ идет по закону

.

В конце интервала , так как - малая.

2) - интервал разряда конденсатора через R_н (диод закрыт, т.к. ).

, .

За счет выбора С можно сделать (у нас T =20 мс).

Если , то (Использовали , если x мало).

Считаем, что , т.к. .

Можно использовать такую аппроксимацию поведения U_вых:

Есть пульсации напряжения U_вых, но U_вых падает уже не до нуля вольт (как это было в выпрямителях без конденсатора).

Введем Коэффициент пульсаций: .

.

Пример: Пусть Т=10 мс (двухполупериодный выпрямитель), R_н = 100 Ом, С = 470 мкФ. Тогда (т.е. 10%).

На практике используют и более сложные схемы сглаживающих фильтров: Г-образные LC- и RC- фильтры.

Примечание: Для дальнейшего снижения К _пульс (улучшения “качества” напряжения) нужно применить стабилизатор напряжения, например, параметрический – на стабилитроне или компенсационный – на транзисторе (о них – позже).

Дополнительные комментарии по характеристикам выпрямительных диодов:

1) Основные параметры:

- средний прямой ток.

- падение напряжения.

- обратное напряжение.

- обратный ток.

2) Схема "выпрямитель без конденсатора" ; "выпрямитель с фильтрующим конденсатором" .

3) изменяется от 150 мА до сотен ампер.

изменяется от десятков вольт до ~1 кВ и выше.

О технологии изготовления полупроводниковых диодов:

Диоды бывают:

1) Сплавные: нагреваются до плавления таблетки с материалами разного типа проводимости. Большая площадь p-n-перехода. Быстрая диффузия.

2) Диффузные: диффузия из газовой среды: испарение таблетки одного типа проводимости, осаждение на кристалл другого типа проводимости через окно в закрывающем кристалл покрытии (окно в маске).

3) Эпитаксиальные: диффузия из раствора через окно в маске на поверхности кристалла. Это медленный процесс, его легче контролировать (и влиять на него).

В случаях 2) и 3) p-n переход меньшей площади, чем в 1). Эти (2) и 3)) полупроводниковые диоды используют для преобразования радио сигналов.

Выпрямительные диоды с малой площадью называют точечными диодами. Выпрямительные диоды с большой площадью называют силовыми диодами. У них больше, чем у точечных.

Частоты, на которых работают силовые диоды:

Si-сплавные: ~5 кГц, GaAs-диффузионные: ~100 кГц.

Ge для выпрямителей не используют из-за сильной зависимости характеристик от температуры.

Тип диода
Сплавной диод Д247
Диффузионный диод КД213

“Увеличение возможностей” выпрямительных диодов:

1) Увеличение :

- выравнивающие токи дополнительные сопротивления.

, где коэффициент запаса .

2) Увеличение :

Выравнивающие обратные напряжения сопротивления .

.