Схемы выпрямителей.

Лекция 5. Схемы выпрямителей и стабилизаторов на

Полупроводниковых диодах

Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей

Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоян­ный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскост­ные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят герма­ниевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряже­нию, а также имеют меньший обратный ток.

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов (рис. 1).

Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью вы­равнивания токов в каждой из ветвей.

Рис. 1. Параллельное соединение выпрямительных диодов.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов (рис. 2).

Рис. 2. Последовательное соединение выпрямительных диодов.

Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания па­дения напряжения на каждом из диодов.

Схемы выпрямителей.

Диоды в схемах выпря­мителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый большая пульсация выпрямленного напряжения и низкий КПД (рис. 3).

Двухполупериодные схемы выпрямителей повышают частоту пульсаций на сопротивлении нагрузки в два раза (100 Гц), что существенно снижает пульсацию выпрямленного напряжения на сопротивлении нагрузки и повышает к.п.д. Существует две схемы двухполупериодных выпрямителей: мостовая и с трансформатором с заземленной средней точкой.

Двухполупериодная с заземленной средней точкой трансформатора (рис. 4). Основана на том, что у такого трансформатора, имеющего две обмотки, каждая из которых имеет напряжение равное вторичному напряжению предыдущего трансформатора, напряжение на крайних узлах противофазно.

Таким образом, во время первой полуволны открывается диод VD1, во время второй – VD2. При этом направления токов через нагрузку, как во время положительной, так и во время отрицательной полуволн на вторичной обмотке трансформатора, совпадают, создавая полуволны на Rн одинаковой полярности.

Рис. 3. Однополупериодный выпрямитель.

Основным недостатком этой схемы является удвоение витков вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой и диаграмма работы.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя (рис. 5) обеспечивает те же результаты, что и предыдущая схема со средней точкой, но не требует специальной конструкции трансформатора и имеет в два раза меньшее обратное напряжение на диодах.

Рис. 5. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя.

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагруз­ка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полуперио­да.

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стаби-лизации напряжения. Иногда стабилитрон называют опорным диодом, так как полученное от него стабильное напряжение в ряде случаев используется как эталонное.

По принципу работы и ВАХ стабилитрон аналогичен лавинному диоду.

Отличительной особенностью стабилитрона является наличие на обратной ветви ВАХ (рис. 6) области электрического пробоя p-n-перехода (участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.

При обратных токах, меньших чем Iст.макс состояние пробоя не приводит к порче диода. При больших токах происходит недопустимый нагрев вентиля и он выходит из строя.

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Чтобы лавинный пробой происходил равномерно по всей поверхности структуры, для изготовления стабилитронов используют кремний с высокой степенью очистки. Напряжение, при котором возникает пробой, зависит от ширины p-n-перехода и удельного сопротивления материала. Изменяя это сопротивление и параметры технологического процесса (температуру, степень насыщенности примесями и т.д.) можно получить различные значения напряжения стабилизации.

Примером использования стабилитрона может служить схема стабилизации постоянного напряжения (рис. 7).

Рис. 7. Схема стабилизации постоянного напряжения

Стабилитрон VD включают параллельно нагрузке, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение.

На схеме Rогр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения Uвх увеличивается ток стабилизации Iст и падение напряжения ∆U на резисторе Rогр. Напряжение на выходе Uвых, на стабилитроне и Rн, остается почти неизменным.

При изменении сопротивления нагрузки Rн происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется.

В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры. Для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают термистор Rт, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

1) напряжение стабилизации Uст – соответствует значению в точке р (рабочая точка) на середине рабочего участка аб (рис. 6). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе стабилизации от 4000 до 100 мА;

2) минимальный Iст.мин и максимально допустимый Iст.макс токи стабилизации.

Значение Iст.мин определяется необходимой устойчивостью работы, так как при Iобр < Iст.мин лавинный пробой может быть неустойчивым. При значении Iобр > Iст.макс происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя;

3) динамическое сопротивление стабилитрона rт (rдин) определяется по выражению:

Чем меньше rт, тем лучше стабилизация;

4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 °С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется.

Температурный коэффициент напряжения определяется по выражению:

, [%/°С].

Температурный коэффициент напряжения положителен для стабилитронов, работающих при высоких значениях напряжения (больше 5 В), и отрицателен для низковольтных стабилитронов (напряжение стабилизации меньше 51В). Это объясняется различием в механизме пробоя широких (на более высокие напряжения) и узких (низковольтных) p-n-переходов. В широких переходах имеет место лавинный пробой, а в узких – зеннеровский.

Рис. 8. Зависимость обратной ветви вольт-амперной характеристики

стабилитрона от температуры

При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов:

Uст = Uст1 + Uст2 + ... + Uст n.

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично лавинным выпрямительным диодам.