И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Если (ххр = 2 В, то сгл,„= 278 В. Если бы напряжение источника (напрнмер, 200 В) пол- 45 пастью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе Я, нет падения напряжения. Но это возможно только прн Яв = О. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя. При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Яв 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 рис. 3.9,6 видно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляюп1ая, или среднее значение, (/ . Для полусинусопдального импульса с максимальным значением напряжения (/,„ среднее значение за полупериод У, = 2У„„„/я = 0,636У,„. (3.11) Так как во втором полупериоде напряжения совсем пег, то за весь период среднее значение вдвое меньше: У,„= У,„/я = 0,3180,„. (3.12) Приближенно (/„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 У~„„ж Е и (/,р ве О,ЗЕ . (3.13) Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую 11, которая имеет несинусоидальную форму.
Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 3.10, а). Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полу- волна представляет собой верхние две 46 а) Рпс. 3.10. Постоянная и переменная состав- ляющие выпрямленного напряжения трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительность этих полуволн неодинакова. но плошади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет. Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряженря. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис.
3.10, б изображена переменная составляющая, Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой). 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. Л так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то практически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники, являюгцейся главным «врагом». В простейшей схеме выпрямителя амплитуда первой гармоники пульсаций У, очень велика — больше полезной постоянной составляюшей: (/»,я — — 05()тяя = 157Уяя (314) Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейший метод сглаживания пульсаций — применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой емкости, шунтируюшего резистор нагрузки Ея (см.
рис. 3.8, 6). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие 1/(щС) ~ Е„. (3.15) В течение некоторой части положительного полупернода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е . В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку Я„ 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 зтого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того, конденсатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения.
При отсутствии конденсатора (У,р яе 0,3Е, а при наличии конденсатора достаточно большой емкости У,р приближается к Е и может быть равным (0,80 —:0,95) Е и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и Я„, тем мед- леннее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе У,р к Е . Если нагрузку вообше отключить (режим холостого хода, т.е. Е„= со), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Е .
Работу выпрямителя со сглаживаюШим конденсатором иллюстрирует рис. 3.11, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод 1 и напряжения на конденсаторе иг, равного напряжению на нагрузке и„. Заряд заряд Рис. 3.11. Ся лаживание пульсаций с помощью конденсатора Процессы в выпрямителе с конденсатором поясняет следующая аналогия. Пусть некоторому потребителю надо подавать по трубе равномерный поток газа. Но имеюшийся насос накачивает газ толчками (импульсаыи), так как во время прямого хода поршня газ только всасывается в насос, а к потребителю он перегоняется лишь во время обратного хода. Работа такой системы аналогична выпрямителю без конденсатора, причем двигатель насоса подобен источнику переменной ЭДС, а клапаны насоса выполняют роль диода. Поставим между насосом и потребителем большой резервуар и накачаем в него газ.
Из резервуара газ будет подаваться потребителю под почти постоянным давлением. Оно будет лишь незначительно пульсировать, так как насос подкачнвает заз в резервуар и поддерживает в нем среднее давление. Резервуар подобен конденсатору. Чем больше его емкость и чем слабее поток газа, идуший к потребителю, тем меньше пульсация давления. Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду, минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде равно разности ЭДС источника и напряженна конденсатора; (3.16) и =е — ис. Так как значение ис близко к Е„, то напряжение и, становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает ис (вблизи значения Е ). В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор.
В течение остальной части положительного полупернода и во время отрицательного полупериода напряжение и — обратное, ток отсутствует н конденсатор разряжается на нагрузку Я„. Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда е= — Е . Поскольку напряжение конденсатора также близко к Е, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2Е„.
Если цепь нагрузки разомкнута (холостой ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е . Таким образом, наличие конденсатора удваивает обратное напряжение ', поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение, Если требуется уменьшить пульсации, а сопротивление Е„ 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 ' Это относится ве ко всем выпрями- тельным схемам. 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 выпрями- тельном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока (рис. 3.12).
Возникают они по двум причинам. Во-первых, под влиянием обрат- Рис. 3.12. Имиульсы обратного тока диода ного напряжения получается импульс тока„заряжающего барьерную емкость и — р-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 и- и р-областях. Эти носители во время прохождения прямого тока инжектируют через переход и, не успев рекомбинировать или уйти, накапливаются в и- и р-областях.
Практически главную роль играет больший заряд, накопившийся в базовой области. Например, если концентрация электронов в и-области значительно больше, чем концентрация дырок в р-области, то и-область является змиттером„а робласть — базой. Инжекция электронов из и-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 робласти в и-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, ббльшим током, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
