Как найти коэффициент выпрямления

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым
диодом называют прибор с двумя выводами
и одним электронно-дырочным переходом.
Различают точечные (рис. 4) и плоскостные
(рис. 5) диоды. В стеклянном или
металлическом корпусе 2 точечного диода
крепится германиевый или кремниевый
кристалл n-типа 3
площадью порядка 1 мм² и толщиной
0,5 мм, к которому прижимается стальная
или бронзовая игла 4, легированная
акцепторной присадкой. Прибор включается
в схемы через выводы 1. В процессе формовки
через контакт иглы с кристаллом пропускают
мощные импульсы тока. При этом кончик
иглы оплавляется и часть акцепторной
примеси внедряется в кристалл. Вокруг
иглы образуется микроскопическая
(точечная) область с дырочной
электропроводностью. На полусферической
границе этой области с кристаллом n-типа
возникает электронно-дырочный переход.

Рис. 4. Конструкция точечного германиевого диода типа Д103: 1 – вывод; 2 – стеклянный корпус; 3 – полупроводниковый кристалл; 4 – стальная пружина

Рис. 5. Конструкция плоскостного выпрямительного диода: 1 – вывод; 2 – стеклянная втулка; 3 – полупроводниковый кристалл; 4 – гайка; 5 – шайба; 6 – основание; 7 – металлический корпус

Малая
площадь p–n-перехода
в точечном диоде обеспечивает ему
минимальное значение межэлектродной
емкости.

Площадь
p–n-перехода
плоскостных диодов достигает десятков
и сотен мм². Для получения таких
площадей используют методы сплавления
или диффузии. При методе сплавления на
пластинку кристалла с донорной примесью
помешают таблетку акцепторной примеси,
которая расплавляется при нагреве в
печи. Расплав частично проникает в
кристалл и образует область p–типа,
граничащую с массой кристалла. У этой
границы возникает p–n-переход.

При
изготовлении диода методом диффузии
кристалл в донорной примесью помещают
в газовую среду акцептора (кристалл с
акцепторной примесью – в газовую среду
донора) и выдерживают длительное время
при заданной температуре. Диффундируя
в поверхность кристалла, молекулы
акцептора (или донора) образуют область
с типом электропроводности, противоположным
типу электропроводности кристалла.

Метод
сплавления позволяет получить p–n-переход
с резким изменением концентрации
примеси. При методе диффузии концентрация
примесных атомов в области p–n-перехода
изменяется плавно.

Мощные
плоскостные полупроводниковые диоды,
рассчитанные на большие токи, изготовляют
в массивных металлических корпусах,
обеспечивающих поглощение и отвод
теплоты, выделяющейся в p–n-переходе.
С помощью массивных шайб и гаек корпус
диода плотно прижимается к монтажной
металлической панели.

Основной
характеристикой диода служит его
вольтамперная характеристика, вид
которой совпадает с видом характеристики
p–n-перехода
(см. рис. 3). Вольтамперная характеристика
диода существенно зависит от температуры
окружающей среды, с повышением которой
прямой ток диода при одном и том же
напряжении может увеличиться в несколько
раз. При заданном прямом токе с увеличением
температуры снижается прямое напряжение
между электродами диода.

Существенным
образом влияет температура окружающей
среды и на обратный ток, который тоже
возрастает с увеличением температуры.
При увеличении температуры окружающей
среды выше определенного значения уже
при небольших обратных напряжениях
развивается тепловой пробой p–n-перехода
и диод выходит из строя. Работоспособность
германиевых диодов теряется при
температуре около 70ºС, а кремниевых –
при 200ºС. Высокая термическая устойчивость
кремния – важнейшее его преимущество
по сравнению с другими полупроводниковыми
материалами. Кремниевые диоды допускают
плотность тока в прямом направлении 10
А/мм² и более, что позволяет
изготовлять мощные полупроводниковые
устройства с относительно небольшими
массами и габаритами.

Одна
из важных характеристик диода – пробивное
обратное напряжение. Это напряжение
зависит от ширины обедненного слоя и у
современных плоскостных диодов равно
сотням и тысячам вольт. Оно несколько
увеличивается с повышением температуры,
не выходящим за пределы работоспособности
диода.

Внутреннее
сопротивление плоскостных диодов
прямому току при номинальных режимах
работы составляет десятые доли Ом, с
повышением температуры оно уменьшается.

Применение
полупроводниковых диодов в современной
технике весьма разнообразно. Рассмотрим
наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые
диоды, предназначенные для выпрямления
переменного тока, называются
выпрямительными. Плоскостные диоды
малой и средней мощности широко используют
в схемах питания радиоаппаратуры, в
устройствах автоматики и вычислительной
техники. Диоды большой мощности используют
в силовых установках для питания тяговых
электродвигателей, привода станков и
механизмов, обеспечения технологических
процессов в химическом и металлургическом
производствах.

Для
характеристики выпрямительных свойств
диодов вводится коэффициент выпрямления,
равный отношению прямого и обратного
токов при одном и том же напряжении
(например, 1 В). Чем выше коэффициент
выпрямления, тем меньше потери и выше
КПД выпрямителя.

Диоды,
предназначенные для работы в устройствах
высокой и сверхвысокой частоты
(ультра-коротковолновая и космическая
радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная
техника и т. д.), называют высокочастотными.
СВЧ-диоды используются для модуляции
и детектирования сверхвысокочастотных
колебаний в диапазоне сотен мегагерц,
а также в каскадах преобразования
частоты радиоприемных устройств. В
качестве высокочастотных обычно
применяют точечные диоды, емкость
электронно-дырочного перехода в которых
составляет сотые и десятые доли пикофарад.

Детекторные
свойства СВЧ-диода, определяемые
коэффициентом выпрямления, зависят от
емкости p–n-перехода.
Чем меньше эта емкость, тем больше
коэффициент выпрямления.

Ранее
установили, что ширина обедненного слоя
и, следовательно, емкость электронно-дырочного
перехода зависят от напряжения,
приложенного в непроводящем направлении.
Такая зависимость дает возможность
изменять емкость диода, варьируя обратное
напряжение на нем. Диоды, применяемые
в качестве конденсаторов с управляемой
емкостью, называют варикапами.

Наличие
у диода критического обратного напряжения,
при котором наступает электрический
(нетепловой) пробой (см. рис 3), позволяет
использовать полупроводниковый диод
в схемах стабилизации напряжения. Одна
из возможных схем стабилизации
представлена на рис. 6. Выходное
напряжение схемы с большой степенью
точности поддерживается на заданном
уровне U_вых=const, равном
критическому (пробивному) напряжению
диода CT. Разница между
входным и выходным напряжениями гасится
на сопротивлении R_г.

Если
входное напряжение возрастает, то
увеличивается и обратный ток диода,
возрастает ток I и
падение напряжения на гасящем сопротивлении
R_г. Приращения напряжений U_вх
и IR_г
взаимно компенсируются, а U_вых
сохраняется на заданном уровне.

Диод,
используемый для стабилизации напряжения,
называется стабилитроном. Недостаток
рассмотренной схемы – зависимость
пробивного напряжения стабилитрона, а
следовательно, и выходного напряжения
U_вых от температуры. Эту
зависимость можно существенно уменьшить,
включив последовательно со стабилитроном
компенсирующий диод в прямом направлении.

Для
стабилизации малых напряжений (порядка
1 В) используют диод, включенный по той
же схеме, но в прямом направлении. При
этом для повышения степени стабильности
выходного напряжения структуру
электронно-дырочного перехода формируют
так, чтобы вольтамперная характеристика
диода в прямом направлении по возможности
круто поднималась вверх при возрастании
напряжения стабилизации (рис. 7).

П

Рис. 8. Условные обозначения
полупроводниковых диодов:

1 – выпрямительный диод;2 –
СВЧ диод;

3 – варикап; 4 – стабилитрон;

5 – туннельный диод

ри больших концентрациях легирующих
примесей заметно усиливается туннельный
эффект p–n-перехода.
При этом в вольт-амперной характеристике
диода появляется участок с отрицательным
сопротивлением (прямой ток увеличивается
с уменьшением прямого напряжения), что
позволяет исполь-зовать его в схемах
генерации и усиления электрических
колебаний. Такие диоды называют
туннельными.

Для
работы в импульсных схемах изготовляют
импульсные диоды, у которых
перераспределение носителей зарядов
в p–n-переходах
при смене полярности напряжения
(переходные процессы) происходит в
десятые доли наносекунды. Чем меньше
время переходных процессов, тем меньше
искажается форма импульсов. Для ускорения
переходных процессов уменьшают до
возможного предела межэлектродную
емкость, а также легируют область
p–n-перехода
небольшой присадкой золота.

Условные
обозначения некоторых полупроводниковых
диодов изображены на рис. 8.

Маркировку
диодов осуществляют с помощью цифр и
букв. Первая цифра или буква обозначает
материал полупроводникового кристалла.
Цифрой 1 или буквой Г обозначают германий;
цифрой 2 или буквой К кремний, цифрой 3
или буквой А – арсенид галлия. На втором
месте ставят букву, обозначающую класс
диода: Д – выпрямительный, А – СВЧ-диод,
В – варикап, С – стабилитрон, И –
туннельный диод. Три последующие цифры
характеризуют тип или область применения
прибора. Если цифры лежат в пределах
101 – 399, то диод предназначен для
выпрямления переменного тока, если в
пределах 401 – 499, то для работы в
высокочастотных и сверхвысокочастотных
цепях, если в пределах 501 – 599, то работы
в импульсных схемах, диоды, маркируемые
цифрами 601 – 699, используют в качестве
конденсаторов с регулируемой емкостью
(варикапы). Последняя буква указывает
на некоторые конструктивные или другие
особенности диода (разновидность
прибора).

Например,
маркировка КС196В расшифровывается
следующим образом: кремниевый стабилитрон
плоскостного типа, разновидность В.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Коэффициент — выпрямление

Коэффициент выпрямления может изменяться от единицы до бесконечности. Идеальным считают выпрямитель, когда К. [2]

Коэффициент выпрямления представляет собой отношение обратного сопротивления выпрямителя к прямому при постоянном напряжении на его зажимах. [3]

Коэффициент выпрямления характеризует качество выпрямителя. [4]

Коэффициент выпрямления достигает 10 000; рабочая температура от — 45 С до 75 С. [6]

Коэффициент выпрямления может изменяться от единицы до бесконечности. Коэффициент выпрямления для каждого выпрямителя не остается постоянной величиной, а зависит от приложенного напряжения и температуры. Предельные значения напряжения, которое может быть подано на выпрямитель, составляют в зависимости от типа выпрямителя для меднозакисного 4 — 5 в и для германиевого 30 — 40 в. Напряжения, больше указанных, вызывают пробой запирающего слоя и выпрямитель теряет свои свойства, начиная пропускать ток одинаково в обоих направлениях. [7]

Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения преобразуемой электрической величины и от темпера туры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается. Такое же действие оказывает и повышение температуры окружающей среды. [8]

Коэффициент выпрямления зависит от величины напряжения и от температуры. С возрастанием напряжения & в увеличивается, с повышением температуры — уменьшается. [9]

Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения преобразуемой электрической величины и от темпера — туры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается. Такое же действие оказывает и повышение температуры окружающей среды. [10]

Коэффициенты выпрямления с ростом температуры изменяются незначительно. Прямой ток при постоянном прямом напряжении с ростом температуры увеличивается, обратный ток также увеличивается. [12]

Коэффициент выпрямления уменьшается с увеличением мощности диода. [14]

Коэффициенты выпрямления титановых выпрямителей не велики, однако высокая рабочая температура ( до 200 С) и способность выдерживать кратковременный нагрев до 400 С делают их удобными для. [15]

Источник

Параметры и показатели качества выпрямления

Простейшей из вышеперечисленных схем является однофазная однотактная однополупериодная схема выпрямления (рис. 2.3,а).

Рассмотрим более подробно работу схемы. На рис. 2.3,б-е представлены графики напряжений и токов в схеме. По оси абсцисс этих графиков отложен фазовый угол wt, где w=2pf – круговая частота питающего (сетевого) напряжения. Вместо величины wt на графиках может быть отложено текущее время t.

Рисунок 2.3 — Однофазная однотактная однополупериодная

а) электрическая принципиальная схема; б-е) диаграммы напряжений и токов

Для упрощения анализа и расчетов выпрямителей принимают допущения, не вызывающие значительных погрешностей:

— вентили считают идеальными, т.е. их сопротивление равно нулю в открытом состоянии и равно бесконечности в закрытом состоянии;

— выпрямленный ток идеально сглажен (среднее значение I_d=const);

-активные сопротивления питающей сети, трансформатора, сглаживающих фильтров и проводов считают равными нулю.

Известно, что условием прохождения тока через вентиль является наличие на его аноде положительного потенциала по отношению к катоду. Допустим, что положительный потенциал на аноде VD1 в данной схеме появляется при положительной полуволне выпрямленного u₂ (потенциал точки а схемы положителен, а точки б – отрицателен), следовательно, в первую половину периода диод открывается, и по цепи последовательно соединенных обмотки трансформатора, диода и резистора нагрузки R_d протекает ток i₂=i_VD=i_d (рис. 2.3, а). Во вторую половину периода точка а имеет отрицательный потенциал, следовательно, диод закрывается и ток в цепи отсутствует. Индекс d используется для обозначения элементов, токов и напряжений схемы на стороне постоянного тока. Этот индекс образован от английского слова “direct” – прямой.

Поскольку в идеализированной схеме выпрямления в трансформаторе и вентиле потерь нет, то в первом полупериоде все напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂ оказывается приложенным к резистору R_d и поэтому график выпрямленного напряжения u_d повторяет положительную полуволну синусоиды графика напряжения u₂ (рис. 2.3, г).

Во время второго полупериода u₂ диод закрыт, а следовательно, все напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂ оказывается приложенным к последовательно соединенным резистору нагрузки R_d и диоду VD1.

Поскольку обратное сопротивление диода намного больше сопротивления резистора нагрузки R_d, то с достаточной для практики точностью сопротивлением нагрузки в данном случае можно пренебречь; т.е. можно считать, что во время второго полупериода в зажимам диода в обратном направлении приложено напряжение U_обр., график которого повторяет отрицательную полусинусоиду напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂ (рис. 2.3, в, е) с амплитудой U_{обр.мах}=2U_m.

Выпрямленное напряжение u_d, как видно из рис. 2.3, г, является не постоянным, а пульсирующим, поскольку не изменяет своего знака. Оно содержит постоянную составляющую U_d (её получение и есть основная функция выпрямителя), и переменную составляющую, называемую пульсациями выпрямленного напряжения.

Рассмотрим более подробно воздействие на трансформатор включенного последовательно с резистором нагрузки R_d вентиля VD1 (см. рис. 2.3, а). Это воздействие выражается в характерном для некоторых типов выпрямителей явлении подмагничивания магнитопровода трансформатора.

Ток во вторичной обмотке трансформатора, в диоде VD1 и резисторе R_d один и тот же (i₂=i_VD=i_d) и определяется отношением i_d=U_d/R_d, который содержит постоянную составляющую (среднее значение) I_d.

Поскольку постоянный ток согласно закону электромагнитной индукции трансформироваться не может, ток первичной обмотки i₁ не будет содержать постоянной составляющей. На рис. 2.3, г представлен вторичный ток i₂=i_d, а на рис. 2.3, д – первичный ток i₁ трансформатора в предложении, что ток холостого хода трансформатора равен нулю. Заштрихованные области на диаграмме тока i₁ равны, что и указывает на отсутствие постоянной составляющей тока. Таким образом, ток в первичной обмотке i₁ отличается от тока во вторичной обмотке i₂ на постоянную составляющую I_d, т.е с учетом коэффициента трансформации n, можно записать

(2.1)

Так как магнитный поток в магнитопроводе трансформатора возникает под воздействием магнитодвижущих сил от суммы всех токов, протекающих в его обмотках, можно результирующий магнитный поток рассматривать состоящим из переменной и постоянной составляющих. Постоянная составляющая магнитного потока создает, таким образом, вынужденное подмагничивание его магнитопровода.

Вынужденное подмагничивание магнитопровода ухудшает работу трансформатора, поскольку в этом случае он работает в условиях насыщения, которое, как известно, приводит к росту намагничивающего (реактивного) тока i₁. Следовательно, возрастает реактивная мощность, потребляемая трансформатором из сети, и уменьшается его коэффициент мощности. Устранить явление вынужденного подмагничивания возможно лишь в схемах выпрямления, в которых отсутствует постоянная составляющая тока вторичной обмотки трансформатора.

В рассматриваемой схеме среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением

(2.2)

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

. (2.4)

Импульсное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю, в данной схеме равно амплитудному значению вторичного напряжения, и с учетом (2.3) имеем

. (2.5)

Действующее значение тока во вторичной обмотке

(2.6)

После интегрирования получим

(2.7)

Учитывая, что и используя (2.3) находим

где I_d=U_d/R_d=U_2m/R_d×p=I_2m/p=

Действующее (среднеквадратичное) значение синусоидального тока в первичной обмотке

Подставив в это выражение i₁ из (2.1), получим

(2.9)

где — коэффициент трансформации по току.

Показатели качества выпрямления. К таким показателям относятся: коэффициент схемы К_сх, коэффициент обратного напряжения К_обр, коэффициент формы кривой тока вентилей К_в, коэффициент пульсаций К_п.

Поскольку все эти коэффициенты определяются через ряд отношений различных значений переменного напряжения во вторичной обмотке трансформатора к постоянной составляющей U_d выпрямленного напряжения, установим их связи в виде формул для рассматриваемой однофазной однотактной однополупериодной схемы выпрямления с учетом соотношения (2.2).

Выпрямленное напряжение u_d согласно рис. 2.3, г является полусинусоидной за полупериод Т/2 (или в пределах 0 — p по фазовому углу); его значение определяется из соотношения

Запишем формулы связи напряжений для данной схемы выпрямления (без вывода):

(2.10)

С учетом этих связей запишем все коэффициенты — показатели качества выпрямления рассматриваемой схемы выпрямления.

1. Коэффициент схемы К_сх . Это есть отношение действующего значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂ к средневыпрямленному значению U_d

(2.11)

Следовательно, в данной схеме выпрямления средневыпрямленное значение (постоянная составляющая) U_d невелико, в 2,22 раза меньше действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора, что свидетельствует о плохом использовании этого трансформатора.

2. Коэффициент обратного напряжения К_обр. Это отношение обратного напряжения на вентиле к среднему значению выпрямленного напряжения

(2.12)

Данный коэффициент показывает, что для рассматриваемой простейшей схемы выпрямления с одним вентилем обратное напряжение очень велико, в 3,14 раза превышает значение U_d. Это свидетельствует о том, что схема на рис.2.3,а требует применения высокодобротных, а значит и более дорогих, полупроводниковых диодов.

3. Коэффициент формы кривой тока К_в. Этот коэффициент определяется как отношение действующего значения тока в вентиле I_VD к среднему значению выпрямленного тока I_d, т.е.

(2.13)

Действующее значение тока I_VD равно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора I₂. Поэтому с учетом выражения (2.5) в соответствии с выражением (2.8) имеем

Коэффициент формы кривой тока имеет значение

(2.15)

то есть ток в вентиле за счет пульсаций оказывается больше среднего значения I_d выпрямленного тока в 1,57 раза.

4. Коэффициент пульсации К_п. Это наиболее широко используемый на практике показатель качества выпрямителя. Он определяется отношением амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения U’_dm к его среднему значению

(2.16)

Заметим, что термин «амплитуда пульсаций» условен. Это объясняется тем, что понятие «амплитуда» относится только к гармоническим (синусоидальным, косинусоидальным) напряжениям и токам. Переменная составляющая выпрямленного напряжения (пульсации) имеет более сложный гармонический состав, т.е. не является синусоидой. Для простоты исследования за пульсации принимают основную гармонику выпрямленного напряжения и считают, что частота пульсаций f₁ соответствует частоте этой гармоники. Для переменной составляющей выпрямленного напряжения u’_d рассматриваемой схемы выпрямления частота пульсаций равна частоте напряжения сети (f₁ = f_c).

При аналитических исследованиях коэффициент пульсаций определяется по результатам разложения кривой пульсаций выпрямленного напряжения в тригонометрический ряд Фурье и оценивается отношением амплитуды первой (основной) гармоники пульсаций U_d1m= U_1m к среднему выпрямленному значению U_d

(2.17)

Для рассматриваемой схемы выпрямления, изображенной на рис.2.3, а, кривая выпрямленного напряжения имеет вид, показанный на рис.2.3, г. Разложение ее в тригонометрический ряд дает следующий результат (приняв )

Входящие в этот ряд постоянная составляющая U_d и первая гармоника (остальные не учитываются) позволяют определить U_d и U_1m:

(2.18)

(2.19)

Теперь можно рассчитать коэффициент пульсаций на основе формулы (2.17)

(2.20)

Такое значение К_п1 является очень большим; оно свидетельствует о том, что амплитуда первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения в 1,57 раза больше его постоянной составляющей. Это является существенным недостатком рассматриваемой схемы выпрямления.

Отметим, что приведенные рассуждения и формулы для К_сх, К_обр, К_п справедливы и для выпрямленных токов.

Энергетические параметры схемы выпрямления.Известно, что при обычной работе трансформатора как преобразователя уровней напряжений переменного тока, его полная мощность одинакова для первичной и вторичной обмоток и равна так называемой габаритной (средней) мощности трансформатора, т.е. S₁ =S₂ = S_тр (где S₁; S₂ – полные мощности обмоток).

Иное дело, когда трансформатор работает в схеме выпрямителя. Нами уже установлено, что в однофазной однотактной однополупериодной схеме выпрямления выпрямленный ток i_d и ток во вторичной обмотке трансформатора i₂ — один и тот же ток, а значит его постоянная составляющая I_d = I₂ подмагничивает магнитопровод, что приводит к неравенству полных мощностей в обмотках, т.е. S₁

Источник