1. Полупроводниковый p-n переход и его свойства.

К полупроводниковым веществам относятся вещества, ко

торые при комнатной температуре имеют удельное сопро

тивление ρ больше, чем проводники (для металлов

ρ=10-3–10-2 Ом∙см), но меньше, чем непроводники (для диэлектри

ков

ρ=10-6–10-4 Ом∙см).

Электронно-дырочная проводимость обусловлена струк

турой кристаллической решетки некоторых веществ, напри

мер, кремния (Si), германия (Ge) - элементов четвертой группы периодической системы химических элементов им. Д.И. Менделеева.

Кристаллическая решетка атомов Si включает электроны, образующие валентные связи. Если по каким-либо причинам из решетки будет "выбит" электрон, то на его месте образу

ется положительно заряженная "дырка". Такая дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным заря

дом. Электроны и дырки являются подвижными носителями зарядов, которые под действием разности потенциалов соз

дают ток в полупроводнике; при этом электроны будут дви

гаться к положительному электроду (аноду), а дырки - к от

рицательному (катоду).

Если в кристаллическую решетку Si ввести примесные атомы, то можно изменить соотношение между свободными электронами и дырками в кристалле. Например, если ввести в решетку Si пятивалентный атом фосфора (Р), то четыре его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электрона

ми соседних атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон может легко отры

ваться и становиться свободным. При этом атом фосфора превращается в неподвижный ион с единичным положитель

ным зарядом. Свободные электроны примесного происхож

дения добавляются к собственным свободным электронам, поэтому проводимость полупроводника делается преимуще

ственно электронной (основные подвижные носители тока – электроны) или п-типа.

Если в решетку Si ввести трехвалентный атом бора (В), то для образования устойчивой оболочки из восьми электронов потребуется дополнительный электрон, который может быть взят от соседнего атома кремния. При этом на месте изъятого электрона образуется дырка, а атом бора превращается в не

подвижный ион с единичным отрицательным зарядом.

Дырки, образованные примесными атомами, добавляются к собственным дыркам, поэтому проводимость полупровод

ника становится преимущественно дырочной (основные под

вижные носители тока – дырки) или р-типа.

При соединении полупроводников р- и n- типа идеальной прокладкой возникает пограничный слой или р-п-переход, который играет основную роль в полупроводниковых прибо

рах (рис. 1).

Рис. 1.
Пространст

венное распределение зарядов в
р-п
переходе



В пограничной области часть дырок (+) из р-слоя перейдёт в n-слой, оставляя в p-слое неподвижные отрицательные ио

ны (-) примеси, а часть электронов (-) из n-слоя перейдет в p-слой, оставляя в n-слое неподвижные положительные (+) ионы. Таким образом, в пограничном слое образуется "обед

нённый" электронами и дыркам запирающий слой, и возни

кает разность потенциалов между неподвижными примес

ными ионами (U_з) – запирающее напряжение. Возникающее между этими слоями электрическое поле – "потенциальный барьер" – препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу раздела и ток через р-п-переход прекращается.

Если ЭДС Е_в приложена минусом к р-слою, а плюсом – к n-слою (обратное включение), то высота потенциального барьера увеличивается (результирующее напряжение, U_pn= U_з + U_в), и ток через р-п переход не идёт, где U_в – падение напряжения на р-п переходе от внешнего источника (Е_в). Ток в полупроводнике I=Iпр+Iобр.

При увеличении U_pn прямой ток I_пр уменьшается до нуля, а обратный ток I_обр увеличивается до тока насыщения. Таким образом, I = I_обр.

Если ЭДС Е_в приложена плюсом к р-слою, а минусом - к n-слою (прямое включение), высота потенциального барьера уменьшается: Upn=Uз-Uв. Ток в полупроводнике: I=Iпр+Iобр, где I_пр – прямой ток, образованный основными носите

лями заряда (дырки); I_обр – обратный ток, образованный не

основными носителями зарядов (электроны).

Через р-п переход потечет ток после преодоления потен

циального барьера (когда U_з < U_в). В идеальном р-п переходе электрический ток основных носителей может быть только одного направления (рис. 1.1). При уменьшении напряже

ния на р-п переходе (U_pn) обратный ток (I_обр) уменьшается до нуля. Следовательно, при прямом включении ток образован основными носителями зарядов, т.е. I=I_пр.

На базе полупроводников р- и n-типа разработано боль

шое разнообразие полупроводниковых приборов, представ

ляющих собой комбинацию слоев с различной проводимо

стью. К ним относятся: диод – полупроводниковый прибор состоящий из двух слоев с р- и n- проводимостью и с одним р-п переходом, триод - трехслойный с двумя р-п переходами, тиристор - четырехслойный с тремя р-п переходами и т.д.

2. Полупроводниковые диоды, их свойства и область применения.

Полупроводниковый диод – прибор с одним р-п переходом, расположенный на границе раздела двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной n и дыроч

ной р), и имеющий два вывода, которые называются анодом А и катодом К (рис. 2).


Рис. 2.
Условное обозначение
(а)
и вольт-амперная характеристи

ка
(б)
диода общего назначения



Диоды используются в электрических схемах для форми

рования тока одного направления (в схемах ограничения, выпрямления и логического преобразования электрического сигнала).

На рис. 2 изображены условное обозначение и вольт-амперная характеристика диода. Вольт-амперная характери

стика диода – это зависимость тока через диод I_Д от напря

жения между анодом (А) и катодом (К) диода U_ak (кривая 1).

Характерные точки на графике: U_n
– начало резкого воз

растания тока после преодоления потенциала р-п перехода (рис. 1). Для германиевого (Ge) диода U_n составляет 0,2-0,4 В, а для кремниевого (Si) диода – 0,4-0,8 В; I_пр – средний прямой ток через диод; U_np – падение напряжения на диоде при I_пр; U_обр – максимально допустимое обратное напряже

ние, при превышении которого происходит разрушение ("пробой") диода; I_обр – обратный ток через диод при U_обр.

Сопротивление диода R_д на участке U >U_n составляет ме

нее 0,8-0,1 Ом, а на участке от 0 до U_обр достигает 10⁵-10⁶ Ом и более.

Состояние диода зависит от знака приложенного напря

жения: на участке от 0 до + U_np вольт-амперной характери

стики диод "открыт"; на участке от 0 до – U_обр диод "закрыт" для тока в направлении от анода к катоду.

При анализе электрических цепей в ряде случаев доста

точно знать "открыт" или "закрыт" диод для тока в ветви электрической цепи, содержащей данный диод. Состояние диода определяется напряжением на аноде U_a и катоде U_к диода:

а) если U_a > U_к, то диод "открыт", сопротивление Rпр=∆Uпр∆Iпр мало.
б) если U_a < U_к, то диод "закрыт", сопротивление Rобр=∆Uобр∆Iобр велико. Для диодов R_o6p >> R_np.

Часто при анализе цепей принимают сопротивление Rпр≅0, Rобр=∞. В этом случае вольт-амперная характеристика «идеального диода» представлена на рис. 2 пунктиром (ломаная линия 2).

Основными характеристиками полупроводниковых дио

дов являются: номинальный прямой ток (среднее значение тока) I_н; максимально допустимый прямой ток I_т; номиналь

ное падение напряжения ΔU_н на диоде, соответствующее но

минальному прямому току вентиля; допустимое обратное напряжение U_обр.н; обратный ток вентиля I_о6р, при U_обр.m и температуре +20 С.

3. Принцип действия транзистора.

Транзистор - трехслойный (р-п-р или п-р-п) полупровод

никовый прибор с двумя р-п переходами, имеющий три вы

вода. Транзистор в электрических цепях постоянного тока является управляемым нелинейным элементом с управлени

ем током одного направления.

Среди большого разнообразия видов транзисторов наи

большее распространение получили биполярные и полевые транзисторы, которые различаются способом управления то

ком, протекающим через транзистор.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярные транзисторы представляют собой тонкую пластинку слаболегированного германия или кремния с элек

тронной или дырочной проводимостью, на которой методом вплавления или диффузии получены два электронно-дырочных перехода.



Биполярные транзисторы (или просто транзисторы) имеют три вывода: коллектор К, базу Б и эмиттер Э (рис 3). В за

висимости от комбинации р-п перехода транзисторы делятся на два типа: р-п-р и п-р-п.

Рис. 3.
Схема транзисторов типа
р-п-р
с прямой
(а)
и
п-р-п
с обрат

ной (б) проводимостями и их условные обозначения для
р-п-р
(«) и
для
п-р-п (г): Э -
эмиттер;
Б -
база;
К -
коллектор;
рп_t -
открытый
р-п
пе

реход;
рп₂ -
закрытый
р-п
переход.

При соединении полупроводников с различным типом проводимости на границе раздела образуется область, обед

нённая носителями тока {запирающий слой). Наличие трёх полупроводников в плоском триоде приводит к образованию двух запирающих слоев по обе стороны среднего полупро

водника (рт и pni). Таким образом, полупроводниковый триод в отличие от диодов содержит два электронно-дырочных перехода.

Устройство германиевого биполярного транзистора типа р-п-р показано на рис. 3,а. В кристалл германия с элек

тронной проводимостью с двух сторон вплавлены кусочки индия, образующие области кристалла с дырочной проводи

мостью. Кристалл с электронной проводимостью имеет неинжектирующий вывод и называется базой транзистора. Об

ласть кристалла с дырочной проводимостью с п-р переходом малой площади называется эмиттером, а переход соответ

ственно называется эмиттерным п-р переходом. Область кристалла с дырочной проводимостью и п-р переходом большой площади называется коллектором, а переход назы

вается коллекторным. Условное обозначение транзистора типа р-п-р в электронных схемах показано на рис. 3
, в.

Биполярный транзистор типа п-р-п (рис. 3,а) отличает

ся от транзистора типа р-п-р тем, что основной кристалл, об

разующий базу транзистора, имеет дырочную проводимость, а благодаря вплавлению или диффузии создаются у поверх

ности области кристалла, имеющие электронную проводи

мость. Условное обозначение транзистора типа п-р-п показа

но на рис. 3, г.

Обе разновидности транзистора отличаются только типом основных носителей заряда и полярностью внешних напря

жений. Принцип действия у них один и тот же. Поясним его на примере транзистора типа р-п-р, включение которого в цепь источников питания показано на рис. 4.

Рис. 4.
Принцип действия транзистора типа
р-п-р.



Для того чтобы полупроводниковый триод усиливал вход

ной сигнал, его надо соединить с двумя внешними источни

ками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включен в пря

мом направлении, а второй - в обратном (рис. 4.).

Переход, вклю

чаемый в прямом на

правлении, называют эмиттерным, а переход, включаемый в обратном направлении - коллекторным.

Источник ЭДС Е_к выходной цепи транзистора включен между коллектором и базой в непроводящем направлении, поэтому коллекторный п-р переход закрыт и через него про

ходит только небольшой тепловой ток I_КБО, обусловленный дрейфом через коллекторный переход неосновных носителей зарядов: электронов (-) из коллектора в базу и дырок (+) из базы в коллектор.

Если во входную цепь транзистора включить в прямом направлении источник Е_э, то эмиттерный п-р переход откро

ется и через него в обоих направлениях пойдут основные но

сители зарядов: электроны из базы в эмиттер и дырки из эмиттера в базу через открытый рп₁ переход.

Поскольку дырки в базе являются неосновными носите

лями зарядов, а ширина базы меньше диффузионной длины, на которую успевают продвинуться дырки до рекомбинации (нейтрализации) с электронами, то подавляющее большинст

во дырок, инжектированных из эмиттера в базу, создадут диффузионный ток в направлении к коллекторному п-р пере

ходу и там, попадая в электрическое поле закрытого коллек

торного перехода, создадут дрейфовый ток, вызывая резкое увеличение коллекторного тока. В силу закона электриче

ской нейтральности заряды дырок, прошедших из эмиттера через базу в коллектор, будут компенсированы свободными электронами, приходящими в коллектор из внешней цепи и создающими в ней ток коллектора I_К.

Электроны, являющиеся основными носителями зарядов в базовой области транзистора, под действием электрического поля источника ЭДС Е_э пройдут через эмиттерный п-р пере

ход и создадут ток базы транзистора

Одной из характеристик транзистора является коэффици

ент передачи по току а = (при U=const).Как правило, а = 0,92-0,99.

Если не учитывать очень малый по величине тепловой ток коллектора I_кбо, то можно в соответствии с первым законом Кирхгофа написать:

IЭ=IБ+IК=IБ+αIЭ

откуда

IБ=IЭ(1-α)

или

IБ=IК1-αα

4. Схема включения транзистора с общей базой.

Схема с общей базой «ОБ» (рис. 5) названа так потому, что базовый электрод транзистора VT является общим для входной и выходной цепей транзистора. В схеме с общей ба

зой входной ток равен току эмиттера I_Э, который обычно на один-два порядка больше тока базы I_S, поэтому входное со

противление транзистора мало. Усиление по току отсутству

ет, так как I_К<I_Э.



Рис. 5.
Схема включения транзистора с общей базой;
(R_H -
сопротивление нагрузки, R_x -
со

противление между эмиттером и базой)

Коэффициент усиления по току:

Ki=IвыхIвх=iКiЭ=α<1

Усиления по току не происходит, так как К_i< 1.

Коэффициент усиления по напряжению:

Ku=UвыхUвх=iКRНiЭRвх=αRНRЭБ>1

Определим R_вх:

Rвх=UвхIвх=UЭБiЭ=RЭБ≈20÷200 Ом

RН≈10000 Ом, т.е. RН≫RЭБ

Усиление по напряжению происходит, так как K_u >1.

Коэффициент усиления по мощности:

KP=Ki∙Ku=α2RНRЭБ>1

Усиление по мощности происходит, так как К_P>1.

Схема с общей базой применяется в некоторых усилите

лях сигналов с трансформаторной связью между каскадами. Недостатком схемы является трудность согласования боль

шого выходного сопротивления предыдущего каскада с ма

лым входным сопротивлением последующего каскада.

5. Схема включения транзистора с общим эмиттером.

Схема с общим эмиттером «ОЭ» (рис. 6) является наиболее распространенной схемой включения транзистора. Во входной цепи протекает сравнительно маленький ток базы i_Б, поэтому входное сопротивление транзисторов VT в схеме с ОЭ достаточно велико.

Рис. 6.
Схема включения транзистора с общей эмиттером;
(R_H -
сопротивление нагрузки, R_x -
со

противление между эмиттером и базой)



Выходное сопротивление меньше, чем в схеме с общей базой, что позволяет осуществить согласование между кас

кадами усилителя без применения согласующих трансформаторов.

Коэффициент усиления по току:

Ki=IвыхIвх=iКiЭ=α1-α>1

Ток в схеме с общим эмиттером усиливается, так как K_i>1.

Коэффициент усиления по напряжению:

Ku=UвыхUвх=iКRНiЭRвх=α1-α∙RНRЭБ>1

Определим R_вх:

Rвх=UвхIвх=UЭБiЭ=UЭБiЭ(1-α)=RЭБ1-α

так как UЭБiЭ=RЭБ, →

Ku=α∙RН1-α∙1-αRЭБ=α∙RНRЭБ>1

так как R_H >>R_ЭБ, то напряжение в схеме с общим эмитте

ром усиливается, К_и>1.

Коэффициент усиления по мощности:

KP=Ki∙Ku=α21-α∙RНRЭБ>1

Мощность также усиливается, так как К_P>1.

Схема с «ОЭ» широко применяется в усилительных кас

кадах, так как усиливаются ток, напряжение и мощность.

Схема с общим эмиттером «ОЭ», называемая также "уси

лителем напряжения" или "инвертором", изображена на рис. 7.


Рис. 7.
Схема с общим эмиттером (инвертор)

В данной схеме эмиттер соединён с землёй, поэтому изме

нение напряжения на базе от 0 до 0,4 В (что то же самое, что и изменение U_БЭ) приведёт к изменению выходного напря

жения на коллекторе транзистора Uk от +U до -0 В.

Усилителем напряжения эту схему называют потому, что коэффициент усиления входного сигнала К_и >>1. Типовое значение К_и составляет 30 ÷ 120.

Если на вход инвертора подать электрический сигнал в виде прямоугольного импульса, то на выходе получим также прямоугольный импульс, но "перевёрнутый" на 180°.



6. Схема включения транзистора с общим коллектором.

Схема с общим коллекторам «ОК» (рис. 8) отлича

ется малым выходным сопротивлением, так как в выходной цепи течет ток эмиттера i_Э. Входное сопротивление большое, так как входным является ток базы. Схема с общим коллекто

ром, называемая «эмиттерным повторителем», применяется в усилителях в качестве согласующего элемента между нагруз

кой с малым сопротивлением и выходом предыдущего каска

да, обладающим большим выходным сопротивлением. Усиле

ния по напряжению транзистор в схеме с общим коллектором не даёт.

Рис. 8.
Схема включения транзистора с общей коллектором;
(R_H -
сопротивление нагрузки, R_x -
со

противление между эмиттером и базой)

Коэффициент усиления по току:

Ki=iвыхiвх=iЭiК=α1-α>1

Усиление тока происходит, так как К_i>1.

Коэффициент усиления по напряжению:

Ku=UвыхUвх=iЭRНiКRвх

Определим R_вх из второго закона Кирхгофа для замкнутой цепи (рис. 8):

0=Uвых+UЭБ-Uвх
,

откуда:

Uвх
=
Uвых+UЭБ=iЭRН+iЭRЭБ≈iЭRН

так как R_ЭБ<_Н, то

Rвх=iЭRНiБ, →

Ku=iЭRНiБiБiЭRН=1

Напряжение в схеме с «ОК» не усиливается, так как К_и=1. Схема работает как согласующий усилитель.

Коэффициент усиления по мощности:

KP=Ki∙Ku=11-α>1

Мощность схемы усиливается, так как К_Р >1.

Схема с общим коллектором используются как согласую

щий усилитель с большим входным сопротивлением.



Схема с общим коллектором, называемая также "эмиттерным повторителем" или "усилителем мощности", изображена на рис. 9.

Рис. 9.
Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

В данной схеме для того, чтобы транзистор был "открыт", напряжение , на базе U_Б должно быть на 0,4 В больше напряжения на эмиттере U_Э. Из этого следует, что если U_Б бу

дет равно 0, то напряжение на эмиттере U_Э также будет рав

но 0. Если на базу подать напряжение + U_Б (U_Б > 0,4 В), то напряжение на эмиттере будет равно U_Э = U_Б- U_БЭ, где U_БЭ изменяется в диапазоне от 0 до 0,4 В. Таким образом, напря

жение на эмиттере U_Э "повторяет" с точностью до U_БЭ на

пряжение на базе U_Б.

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя К_u<1. Типовое значение К_u составляет 0,8-0,95. Усилителем мощ

ности данную схему называют потому, что мощность выход

ного сигнала Р_вых,
получаемого на нагрузке R_Н, может быть значительно больше мощности входного сигнала Р_вх:

Pвх=UвхiБ; Pвых=UвхiЭ,

так как i_Э >> i_Б, то Р_вых>>Р_вх.

Если на вход повторителя подать электрический сигнал в виде прямоугольного импульса, то на выходе получим так же прямоугольный импульс, по форме повторяющий входной сигнал.

7. Однополупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Схема однополупериодного выпрямителя (рис. 10) включа

ет однофазный трансформатор TV, во вторичную обмотку которого включены последовательно диод VD и нагрузочное сопротивление R_H. Первичная обмотка трансформатора при

соединена к сети переменного тока. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора напря

жение на зажимах его вторичной обмотки также будет пере

менным. Если напряжение на первичной обмотке является синусоидальным (u1=U1msinωt), мгновенное напряжение на вторичной обмотке трансформатора при этом будет ме

няться во времени по синусоидальному закону (u2=U2msinωt). Диод, как известно, проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода будет иметь положительный потенциал. Поэтому ток в цепи (вторичная обмотка трансформатора TV, диод VD, нагрузка R_H) будет протекать только в одном направлении, т.е. в течение поло

жительного полупериода переменного напряжения и₁ на пер

вичной обмотке трансформатора.




Рис. 10.

Принципиальная схема однополупериодного выпрями

теля переменного тока:
и₁, и₂, i₁, i₂ - мгновенные значения напря

жения и тока первичной и вто

ричной обмоток трансформатора соответственно.

В результате этого ток, протекающий в цепи нагрузки, оказывается пульсирующим, неизменным по направлению, но изменяющимся по величине во времени. Временные диа

граммы изменения напряжений и токов, соответствующих однофазному однополупериодному выпрямителю, представ

лены на рис. 11.


Рис. 11.

Временные диаграммы токов и напряжений однофаз

ного однополупериодного выпрямителя.

Из рис. 11 видно, что рассматриваемое выпрямительное устройство характеризуется значительными пульсациями выпрямленного тока i₂ и напряжения на нагрузке и_н.

Максимальное значение тока, проходящего через диод:

Imax=U2mRH=2U2RH,

где U_2т, U₂ - максимальное и действующее значения напряжений.

Мгновенное значение тока i₂, после разложения в гармо

нический ряд Фурье имеет вид:

i2=Imπ+Im2sinωt-2Imπ∙1∙3sin2ωt-2Imπ∙1∙3∙5sin4ωt-...

Первое слагаемое этого ряда

Iср=Imπ



представляет собой среднее значение тока нагрузки за пери

од Т' и называется постоянной составляющей выпрямленного тока. Амплитуда первой гармоники гармонического ряда Фурье

A1=Im22

называют переменной составляющей выпрямленного тока (основной гармоникой), она имеет частоту ω напряжения на входе трансформатора (сети). Остальные слагаемые ряда на

зывают составляющими высших гармоник. Амплитуды выс

ших гармоник относительно невелики, поэтому при анализе их можно не учитывать.

Среднее выпрямленное напряжение на нагрузке:

Uср=IсрRH=ImπRH=2U2RH∙RHπ=0,45U2

Уравнение связывает среднее выпрямленное напря

жение U_cp со вторичным действующим значением напряже

ния трансформатора U₂.

^{U2=Uср0,45=2.22Uср}

Действующее значение тока I₂ во вторичной обмотке трансформатора TV находят как среднеквадратичное значе

ние тока за период T:

I2=1T0T2i22dωt=1T0T2Im∙sinωtdωt=Im2

I2=1,57Iср

Максимальное обратное напряжение U_обр.т диода равно амплитудному значению вторичного напряжения трансфор

матора, так как в отрицательный полупериод ток равен нулю и падения напряжения на R_H нет.

Uобр.т=2U2=2Uср0,45=3,14Uср

Качество выпрямления оценивается коэффициентом пульсации.

Для рассматриваемого однополупериодного однофазного выпрямителя:

Kn=A1Iср=Imπ2Im=π2=1,57

Это означает, что амплитуда A₁ переменной составляющей выпрямленного тока в 1,57 раза больше постоянной состав

ляющей I_ср.

Диод в схеме должен выдерживать максимальное обрат

ное напряжение выпрямителя, т.е. при выборе вентиля для выпрямителя следует выбирать

Um>Uобр.т=3,14Uср

Однополупериодный выпрямитель имеет низкую эффективность из-за вы

сокой пульсации выпрямленного напряжения и находит ог

раниченное применение.



8. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

• 
  Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой
  

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой представлена на рис. 12. Вторичная обмот

ка трансформатора в данной схеме имеет выведенную нуле

вую точку 2, поэтому диоды VD1 и VD2 питаются вторич

ными напряжениями и₁₂ и u₃₂, сдвинутыми по фазе на 180° относительно друг друга. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих поочерёдно на общую нагрузку R_H.


Рис.12.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой 2

В этой схеме каждый из диодов проводит ток только в те

чение той части периода, когда анод имеет более высокий потенциал относительно катода, в этом случае диод открыт.

За период входного напряжения u₁ или вторичного напря

жения u₂ в один полупериод диод VD1 проводит ток i’₂, а в другой полупериод - проводит ток i"₂ диод VD2.

В результате временные диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя приобретают вид, пред

ставленный на рис. 13.


Рис. 13.

Временные диаграммы токов и напряжений двухполупериодной выпрямительной схемы с нулевой точкой.



Кривую выпрямленного тока i_H, протекающего в цепи на

грузки, разложим в гармонический ряд Фурье:

iH=Im2π-43π∙cos2ωt-415π∙cos4ωt-...

где I_m - максимальное значение выпрямленного тока.

Среднее значение вы

прямленного тока:

Iср=2Imπ

При этом частота первой (основной) гармоники для двух

полупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте на

пряжения на входе трансформатора (сети). Все другие (выс

шие) гармонические составляющие имеют более высокие частоты, кратные основной частоте, а их амплитуды умень

шаются по мере повышения частоты гармоники.

Пульсация тока при двухполупериодном выпрямлении значительно уменьшается, так как коэффициент пульсаций в данном случае:

Kn=A1Iср=0,667

где A1=4Im3π - амплитуда основной гармоники выпрямленного тока во втором слагаемом ряда Фурье.

Среднее значение тока нагрузки складывается из средних значений токов вентилей VD1 и VD2, поэтому среднее значе

ние тока через диод:

Iср.Д=Iср2

Максимальное значение тока диода:

Im=π∙Iср2=1,57Iср

Максимальное обратное напряжение диода равно макси

мальному напряжению на вторичной полуобмотке транс

форматора U_m2,
поэтому его значение:

Uобр.т=Um2=Im2∙RH=πUH2

Действующее значение вторичного тока I₂ можно рассчи

тать с учётом того, что во вторичной обмотке трансформато

ра ток протекает в течение всего периода. Действующее значение тока во вторичной полу

обмотке трансформатора:

I2'=π∙Iср4=0,787Iср,

тогда

I2=2I2'=1,57Iср

Действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке трансфор

матора:

U2=1,11Uср

Полученные соотношения показывают, что эффективность однофазного двухполупериодного выпрями

теля значительно выше, чем однополупериодного, поэтому он нашел широкое использование в схемах ИВЭ.

• 
  
  
• 
  Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель
  

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель представлен на рис. 14. Диоды VD1 - VD4 соединены по схеме моста: катоды диодов VD1, VD4 объединены, а общая точка присоединена к одному полюсу нагрузки, аноды диодов VD2, VD3 также объединены и присоединяются к друго

му полюсу нагрузки. Общие точки анода VD\ и катода VD2, а также катода VD3 и анода VD4 присоединяются к выводам вторичной обмотки трансформатора TV. При присоединении трансформатора к сети на вторичной обмотке появляется си

нусоидальное напряжение и₂. При этом в течение нечётных полупериодов ток протекает в цепи - вентиль VD 1, сопротивление на

грузки R_H и вентиль VD3, а в течение чётных полупериодов в цепи - вен

тиль VD4, нагрузке R_H и вентиль VD2. Причём в любой полу

период ток в цепи нагрузки протекает в одном и том же на

правлении.

Рис. 14.

Мостовая схема однофазного двухполупе

риодного выпрямителя пе

ременного тока.

Временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя приведены на рис. 15.


Рис. 15.

Временные диаграммы токов и напряжений для двухполупериодной выпрямительной мостовой схемы: i₁ - i₄
- мгновенные токи через 1 - 4 диоды.



При сравнении временных диаграмм токов и напряжений рассматриваемых двухполупериодных схем (мостовой и с нулевой точкой, рис. 13), можно видеть, что выпрямленные ток и напряжение на нагрузке изменяются по одному закону, поэтому коэффициент пульсаций в мостовой схеме будет оп

ределяться так же, как и в схеме с нулевой точкой.

Kn=A1Iср=0,667

Среднее значе

ние тока в цепи диодов:

Iср.Д=Iср2

Максимальное значе

ние тока в цепи диодов:

Im=π∙Iср2=1,57Iср

Амплитудное обратное напряжение диода:

Uобр.т=Um2=Im2∙RH=πUH2

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора в мос

товой схеме изменяется в течение периода по синусоидаль

ному закону, его действующее значение:

I2=Im22=1,11Iср

Действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

U2=1,11UH

В мостовой схеме к запертым диодам прикладывается меньшее обратное напряжение.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель широко используется в источниках вторичного питания.

9. Емкостной электрический фильтр в выпрямительной схеме и его влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Схема ёмкостного фильтра показана на рис. 16. По

стоянная составляющая тока I_ср не проходит через конден

сатор фильтра С, а замыкается только через цепь нагрузки R_H.


Рис. 16.

Однополупериодиая схема с ёмкостным фильтром.

(а)
и временные диаграммы напряжений и токов
(б)

Сглаживающее действие конденсатора как фильтра за

ключается в том, что через него шунтируются высшие гар

монические составляющие тока выпрямителя, так как конденсатор имеет малое ёмкостное сопротивление (
XC=1ωC
), которое значительно ниже нагрузочного сопротивления R_H. Высшие гармонические составляющие вызывают 

дополни

тельное падение напряжения в сопротивлении выпрямителя, что приводит к сглаживанию выходного напряжения U_H.

Коэффициент сглаживания в однополупериодной схеме с ёмкостным фильтром:

SC=KПВKПФ=RHXC=ωCRH

Из уравнения следует что, чем больше ёмкость С (
XC≪RH
), тем лучше сглаживается ток. Не допуская большой погреш

ности, можно считать, что через R_H проходит только посто

янная составляющая тока I_ср, а переменная составляющая то

ка проходит целиком через конденсатор С.

На рис. 17 представлены временные диаграммы токов и напряжений для ёмкостного фильтра.

Рис. 17.

Временные диаграммы напряжений и токов.

На участках 1-2, 3-4 напряжение на ёмкости меньше, чем на

пряжение сети, в этот момент через диод проходит ток и ем

кость заряжается. Электрическая энергия накапливается в электрическом поле емкости. На участках 2-3, 4-5 напряже

ние на ёмкости больше, чем напряжение сети, ёмкость раз

ряжается через нагрузку R_H. Напряжение и ток нагрузки под

держиваются за счет электрической энергии накопленной в емкости.

Чем больше ёмкость С, тем больше постоянная цепи раз

ряда и ёмкость медленнее разряжается, т.е. лучше сглажива

ется ток нагрузки.


Рис. 18.

Схема емкостного фильтра с мостовым двухполупериодным выпрямителем
(а)

и временные диаграммы напряжений и токов
(б)
.



Схема и временные диаграммы двухполупериодного мос

тового выпрямителя с ёмкостным фильтром приведены на рис. 18. Емкость конденсатора С выбирают такой величи

ны, чтобы сопротивление конденсатора х_с для основной гар

моники выпрямленного напряжения (частота f_о.г) было много меньше R_H, т.е.

12πfо.гC≪RH, или C≫12πfо.гRH.

При таком выборе величины ёмкости конденсатора его постоянная времени разряда значительно больше периода по сравнению с её величиной в отсутствии фильтра. Изменения выпрямленного напряжения и конденсатор C разряжается сравнительно медленно, т.е. напряжение на нём уменьшается незначительно. Это приводит к увеличению среднего значе

ния напряжения U_H.cp на сопротивлении нагрузки.

Коэффициент пульсаций в однополупериодной схеме с емкостным фильтром рассчитывается по формуле:

Kn=14fо.гCRH.

Применение ёмкостного фильтра более эффективно при высокоомном нагрузочном сопротивлении, так как выпрям

ленное напряжение и коэффициент сглаживания имеют большие величины, чем при низкоомном нагрузочном сопро

тивлении.

На практике для сглаживания пульсаций применяют более сложные и эффективные LC фильтры.

10. Индуктивный электрический фильтр в выпрямительной схеме и его влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Для упрощения предположим, что индуктивный фильтр в виде дросселя (рис. 19, а), включённый между выпрямите

лем и нагрузкой, имеет индуктивное сопротивление
XL=ωL
, а активное сопротивление R_д=0.


Puc. 19.

Индуктивный фильтр
(а)

и график его работы в однополупериодном выпрямителе
(б)
.

При активном сопротивлении дросселя равным нулю по

стоянное напряжение на выходе индуктивного фильтра рав

но U_ср. Переменная составляющая выпрямленного напряже

ния создаёт падение напряжения как на индуктивности L, так и на сопротивлении нагрузки R_H. При достаточно большой величине L в индуктивном сопротивлении (
XL=ωL
) будет теряться большая часть переменной составляющей напряже

ния (рис. 19, б).

Коэффициент сглаживания фильтра:

SL=KпВKпф=2ωLRH



Из уравнения следует, что фильтр более эффекти

вен при больших X_L(L) и малых R_H. Поэтому индуктивные фильтры целесообразно применять при малых R_H, т.е. при малых выпрямленных напряжениях U_cp и больших токах I_ср.

В однополупериодных выпрямителях при любом значении индуктивного сопротивления фильтра выпрямленный ток ос

танется прерывистым (рис. 19, 6). На схеме с индуктивно

стью L нарастание тока в нагрузке идёт медленнее, чем при активной нагрузке, так как этому препятствует встречно на

правленная ЭДС самоиндукции e_L. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки i электрическая энергия запасается в магнитном поле дросселя L, а при снижении на

пряжения ток в нагрузке поддерживается за счет накоплен

ной электрической энергии дросселя.

Индуктивный фильтр более эффективно работает в двухполупериодных выпрямителях (рис. 20, а). Импульсы тока, проходящие поочередно через диоды VD1 и VD2, создают в нагрузочном резисторе R_H непрерывный ток i_H (рис. 20, б).

Рис. 20.
Схема индуктивного фильтра с двухполупериодным выпрямителем
(а)
и временные диаграммы напряжений и токов
(б)

При этом, как следует из временных диаграмм, форма кривой выпрямленного напряжения такова, что коэффициент пульсаций K_n значительно уменьшается.

Коэффициент пульсации на нагрузке:

Kn=RH4fL

22