В нашей электросети протекает переменный ток, но большая часть техники и электроники питается постоянным током. Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный используют выпрямители. В этой статье мы рассмотрим устройство и принцип работы полупроводникового выпрямителя.
Что такое полупроводниковый диод?
Полупроводниковый диод – это простейший электронный прибор, состоящий из полупроводника с двумя областями с разной проводимостью: p-типа и n-типа, между которыми образуется один pn-переход.
В общем случае диод — это электронный прибор, имеющий в своём составе два вывода (два электрода).
Полупроводник p-типа — это такой полупроводник, в котором основным носителем заряда выступают дырки (условные носители положительного заряда), а в полупроводнике n-типа — электроны (носители отрицательного заряда). Проводимости p- и n-типа получают методом легирования собственных (чистых) полупроводников примесями.
Легирование – процесс внедрения примесей в основной материал, один из основных процессов в производстве полупроводниковых компонентов.
В качестве собственного полупроводника в современных диодах используется преимущественно кремний, ранее применялся германий. А в качестве примесей для легирования бор (для p-проводимости), мышьяк и фосфор (для n-проводимости).
Электронно-дырочный переход, он же pn-переход – это контакт двух частей полупроводника с разной проводимостью, благодаря ему возможна работа полупроводниковых приборов. Основное свойство перехода – выпрямительное, то есть он может проводить ток в одном направлении.
У диода p-область называется анодом, основной носитель заряда здесь дырки, а n-область — катодом, в ней носители заряда – электроны.
При отсутствии напряжения или других внешних сил pn-переход, препятствует движению носителей зарядов из области с одной проводимостью в другую. Если к нему приложить прямое напряжение (к p-области положительный потенциал, а к n-области отрицательный) переход сужается и начинает пропускать электрический ток.
Если приложить обратное напряжение (к p-области отрицательный потенциал, а к n-области положительный), то переход расширяется и практически не пропускает носители зарядов (ток не проводит). Рассмотрим вольт-амперную характеристику диода.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через элемент от напряжения, приложенного к его выводам.
У ВАХ есть две ветви: прямая и обратная.
Прямая ветвь отражает зависимость тока от приложенного напряжения при прямом включении и находится в I квадранте координатной плоскости (правый верхний угол графиков).
Обратная ветвь отражает зависимость тока от обратного напряжения и находится в левом нижнем углу графиков. Так как обратные токи до напряжения пробоя крайне малы, то и вертикальная ось ниже нуля (Iобр) размечена в микроамперах.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода (правый верхний квадрант координатной плоскости) нелинейная, она похожа на ветвь параболы. Обратите внимание, что у кремниевого диода (рис. 2-а), прямой ток начинает резко расти после того, как прямое напряжение достигнет примерно 0.7В, а у германиевого — 0.3-0.4В. Это обусловлено разной шириной запрещённой зоны у разных полупроводников (кремния и германия соответственно), но предлагаю сейчас не углубляться в эти определения, нужно просто запомнить это. После этой точки наклон ВАХ приближается к линейной.
Такая форма вольт-амперной говорит нам о том, что недостаточно приложить «хоть какое-нибудь» напряжение к выводам диода, чтобы он начал нормально проводить ток, оно должно быть больше порогового.
Напряжение, при котором начинается резкий рост тока называется «напряжением порога проводимости», также можно встретить названия: «напряжение открытия диода», «постоянное прямое напряжение диода» (Uпр), а в англоязычных источниках Forward Voltage. В справочниках вы увидите, что прямое напряжение кремниевых диодов значительно отличается от 0.7В в большую сторону, а также обратите внимание, что указанное напряжение является номинальным при определённой силе тока.
В левой нижней части ВАХ вы видите, что, при обратном смещении диоды проводят незначительный, очень малый ток, которым обычно пренебрегают. Но при подаче слишком большого обратного напряжения наступает пробой с резким увеличением обратного тока (Iобр), сначала обратимый электрический (туннельный и лавинный), а затем и необратимый тепловой пробой.
При обратимом пробое, после снижения обратного напряжения переход и сам элемент возвращается в прежнее состояние, а при необратимом – происходит изменение кристаллической решётки полупроводникового материала и прибор (в нашем случае диод) приходит в негодность.
Основные схемы выпрямителей
Прежде чем приступать к рассмотрению схем выпрямления, напомним, что переменное напряжение в электросети принимает значения от отрицательных до положительных, изменяющиеся по синусоидальному закону. Каждый период (T) синусоиды состоит из двух полуволн, длительность каждой полуволны – половина периода (1/2T).
Выпрямители, которые могут пропускать одну полуволну переменного напряжения, а вторую отсекают называют однополупериодными. Если выпрямитель пропускает обе полуволны, то его называют двухполупериодным, вторая полуволна «переворачивается», то есть меняет полярность, напряжение на нагрузке получается пульсирующим постоянным по знаку с частотой 100 Гц.
Различают три основных схемы выпрямления однофазного напряжения:
• 1-полупериодная (1ф1п).
• 2-полупериодная (1ф2п).
• 2-полупериодная со средней точкой (1ф2п).
Однополупериодный выпрямитель
Самый простой из выпрямителей — однополупериодный, состоит из одного диода включённого между источником питания и нагрузкой. Катод диода подключается к положительному полюсу нагрузки, а анод к источнику питания.
Выпрямители могут подключаться как напрямую к электросети 220В, так и ко вторичной обмотке трансформатора или к бестрансформаторным балластным схемам питания — конденсатору или дросселю, если нужно пониженное напряжение.
Осциллограмма напряжения на нагрузке, выглядит так, как показано на рисунке 4 – а.
Преимущество схемы в её простоте и дешевизне, что перекрывается очевидным недостатком – огромные пульсации и снижение действующего напряжение в 2 раза. Тем не менее такая схема применяется в простейших зарядных устройствах для малоёмких аккумуляторов, маломощных импульсных блоках питания и бестрансформаторных источниках питания.
Соберём схему и посмотрим осциллограмму напряжения на входе выпрямителя и на нагрузке в программе для моделирования электрических цепей Multisim.
Верхняя (оранжевая) осциллограмма — это напряжение на нагрузке, она смещена на 1 деление вверх от условного нуля по вертикальной оси для наглядности, чтобы осциллограммы не перекрывали друг друга. Синяя синусоида – это напряжение на выходе. Форма тока, потребляемого нагрузкой из сети, аналогична форме напряжения на ней — одна полуволна.
Для снижения пульсаций можно добавить в схему фильтр. Простейший вариант фильтра – это конденсатор, подключённый параллельно нагрузке. Для этого обычно используются электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости. Этот конденсатор называют фильтрующим.
Как изменились пульсации напряжения на нагрузке после установки конденсатора вы можете видеть на рисунке 9.
Пульсации напряжения зависят от ёмкости конденсатора и сопротивления нагрузки. Важно запомнить: чем больше ёмкость – тем меньше пульсаций, и чем меньше сопротивление нагрузки (или больше её мощность) —тем сильнее пульсации.
Другими словами: чем меньше сопротивление нагрузки — тем быстрее разряжается конденсатор. Если пульсации при какой-то определённой нагрузке всё равно высоки — повышайте ёмкость конденсатора. Для наглядности увеличим ёмкость фильтрующего конденсатора в 5 раз, то есть до 50 мкФ.
Как вы можете видеть на рисунке 10 пульсации значительно уменьшились, при дальнейшем увеличении ёмкости пульсации будут уменьшаться и далее, а напряжение на нагрузке будет становиться всё более «ровным». Но такой подход имеет и негативные стороны:
Во-первых, конденсаторы с высокой ёмкостью дорогие и большие по размерам, что ухудшает массогабаритные и экономические показатели схемы. И что ещё хуже, чем больше ёмкость фильтрующего конденсатора — тем больше ток его заряда при включении схемы. Это может вывести из строя диоды выпрямителя (не только в этой, но и в следующих схемах).
Во-вторых, ток, потребляемый из сети, принимает пульсирующий вид с ярко выраженным пиком в момент заряда конденсатора (около верхней точки амплитуды питающего напряжения), существенно превышающим ток нагрузки без фильтра. Это снижает коэффициент мощности схемы. Что вы можете наблюдать на рисунке 11, где: синяя осциллограмма – ток, потребляемый из сети; оранжевая осциллограмма – напряжение на нагрузке. Немного ниже разберемся с этим подробнее.
Реальная форма тока может отличаться от формы тока, полученной при моделировании в этой программе, но основные положения и общий вид будут похожими.
Диодный мост — схема и принцип работы
Чтобы снизить ёмкость конденсаторов, и уменьшить пульсации и другие указанные выше проблемы используются двухполупериодные схемы. Самая распространённая из них — диодный мост, она же схема Греца. Используется повсеместно.
Мост состоит из четырёх диодов, при этом может быть в виде цельного элемента (сборки) или собираться из дискретных (отдельных) диодов.
Рассмотрим схему диодного моста и её принцип действия. Обозначаться на схеме он может по-разному: условным графическим обозначением в виде четырёхугольника с вписанным в него диодом, при этом диод указывает точки подключения плюса и минуса (куда смотрит диод – оттуда «выходит» плюс), а также в виде отдельных элементов с реальным их соединением.
Рис. 14. Схема подключения диодного моста к нагрузке.
Принцип работы диодного моста: каждая из полуволн синусоидального напряжения поступает к нагрузке через свою пару диодов. Допустим, первая полуволна напряжения положительная, ток протекает по такому пути: первый полюс источника питания → диод VD1 → нагрузка → диод VD4 → второй полюс источника. При этом диоды VD2 и VD3 закрыты, блокируют протекание тока и возникновение короткого замыкания.
При отрицательной полуволне ток проходит через диоды VD2 и VD3, что вы можете наглядно увидеть на рисунке 15.
Действующее напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя без фильтра почти равно действующему значению входного переменного напряжения, отличается лишь на величину падения напряжения на диодах (на выходе будет 1-1.5 вольта меньше чем на входе выпрямителя). Это падение может быть важным при сборке блоков питания с понижающим трансформатором с низким напряжением вторичной обмотки.
Величина напряжения на выходе выпрямителя с фильтром стремится к амплитудному значению входного напряжения (в 1.4 раза больше действующего), и тем ближе к амплитудному, чем меньше его пульсации. К примеру, если выпрямить и сгладить конденсатором сетевое напряжение, то получится около 310 вольт.
Соберём схему и проведём моделирование в Multisim.
Цвета и положение осциллограмм аналогичны предыдущему моделированию.
Здесь видно, что на нагрузку поступает оба полупериода, или пульсирующее напряжение с частотой 100 Гц. Добавим к схеме фильтрующий конденсатор ёмкостью в 10 микрофарад.
Как видно на рисунке 18, пульсации заметно снизились, причём они значительно меньше, чем в однополупериодной схеме с таким же фильтрующим конденсатором (рисунок 9). Увеличим ёмкость до 50 мкФ.
Пульсации стали ещё меньше, теперь давайте рассмотрим, как нагрузка потребляет ток из сети без фильтра и с фильтром.
Голубым цветом изображена форма потребляемого из сети тока, а оранжевым – напряжение на нагрузке, можно убедиться, что форма тока совпадает с формой сетевого напряжения, и потребляется он в течение всего периода. Так как нагрузка резистивная, то и фазы тока и напряжения совпадают. При добавлении фильтрующего конденсатора на 50 мкФ видим следующее:
Осциллограмма похожа ту, что получили в предыдущей схеме. Ток потребляется импульсами меньшей длительности и в пике достигает примерно 2.6А, что меньше, чем было с однополупериодным выпрямителем. Напомню, сопротивление шунта для измерения тока 1Ом, а цена деления на осциллографе по вертикали (масштаб) 1 В/дел (можете сами пересчитать).
На практике ёмкость фильтрующих конденсаторов в мощных блоках питания достигает тысячи и десятки тысяч микрофарад, для этого либо используют крупные конденсаторы, либо собирается цепочка из нескольких конденсаторов меньшей ёмкости, соединённых параллельно.
Давайте разберёмся, почему пульсации на нагрузке сглаживаются, а ток потребляется из сети импульсами?
Когда на входе диодного моста (или другой схемы выпрямления) напряжение ниже, чем на обкладках конденсатора — диоды закрываются, и нагрузку питает конденсатор.
Напряжение на обкладках конденсатора уменьшается по мере его разряда, и когда напряжение на входе диодного моста становится больше, чем на конденсаторе — диоды открываются и через них протекает ток заряда конденсатора. С момента открытия диодов конденсатор начинает заряжаться до амплитудного значения переменного напряжения на входе выпрямителя.
Как только напряжение на конденсаторе приблизится к напряжению на входе выпрямителя диоды закроются, и нагрузка продолжит питаться от конденсатора. Поэтому ток заряда конденсаторов имеет такую форму, и в пике всегда больше чем ток нагрузки.
Ничего странного в этом нет, ведь нагрузка потребляет какую-то мощность постоянно, а конденсатор заряжается в короткие периоды времени, в течении которых эта же мощность берется из сети.
Возможно, вы слышали в разговорной речи фразы типа «при повышении напряжения ток понижается, а при понижении напряжения ток повышается». Так и этот вопрос удобно рассматривать по аналогии с повышающим преобразователем, где выпрямитель с конденсатором выступает в роли этого самого преобразователя.
Здесь действующее напряжение на входе ниже, чем на выходе. А как известно, при какой-то постоянной мощности, входной ток повышающего преобразователя будет больше чем ток нагрузки.
Из приведённых схем и осциллограмм делаем выводы:
Для сглаживания пульсаций двухполупериодных выпрямителей нужен конденсатор вдвое меньшей ёмкости чем для однополупериодных. Это значительно улучшает массогабаритные показатели и снижает стоимость фильтра, что является весомым плюсом схемы.
Для сборки диодного моста нужно 4 диода или сборка, что увеличивает потери на диодах и несколько усложняет схему и разводку платы. Это недостаток, но он существенно перекрывается сниженными пульсациями. Ещё стоит отметить, что среднее значение тока через один диод почти в 2 раза меньше тока нагрузки. То есть можно использовать диоды с меньшим номинальным током и габаритами чем в однополупериодной схеме, при том же токе нагрузки.
Выпрямитель со средней точкой (схема Миткевича)
Ну и третья схема состоит всего из двух диодов, которая используется достаточно редко – это схема со средней точкой.
Главная проблема схемы состоит в том, что для её реализации нужен трансформатор со средней точкой. Это приводит к повышенному расходу меди, в сравнении с трансформатором без средней точки, потому что нужно сделать фактически две одинаковых обмотки для получения того же напряжения на выходе. А общая расчётная мощность всей вторичной обмотки получается в 2,2 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Если в производственных масштабах такие трансформаторы, кроме повышения себестоимости изделий, существенных проблем не доставят, то в радиолюбительской проще использовать мостовую схему, да и трансформатор без отвода от середины проще найти в продаже.
Кроме проблем с трансформаторами, также стоит учитывать, что обратное напряжение диодов должно быть в 2,82 раза выше, чем напряжение на одной половине обмотки.
Вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создаёт две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению, то есть сдвинутые на 180° друг относительно друга (см. рисунок 23.). Если подключить нагрузку к концам обмотки через диоды мы получим двухполупериодный выпрямитель, состоящий фактически из двух однополупериодных.
Блоки питания с сетевыми трансформаторами и такой схемой выпрямления редко встречаются, но она активно используется в импульсных источниках питания, например на рисунке 24 изображена схема компьютерного блока питания, зеленые стрелки указывают на выпрямитель, выполненный по такой схеме.
Предлагаю опустить моделирование этой схемы, в сущности, ничего нового мы не увидим.
Подведём итоги
Итак, мы рассмотрели основные схемы выпрямления однофазного напряжения. Статья получилась и так очень большой, поэтому часть материала была значительно упрощена. Вопросы выпрямления переменного тока и расчётов выпрямителей разных схем с фильтрами разных конфигураций достаточно широки и объёмны.
Пишите в комментариях, хотите ли вы узнать о схемах трёхфазных выпрямителей или какие-либо другие темы из электроники, например, о транзисторах разных типов или чего-либо другого?
Алексей Бартош специально для ЭТМ