Выпрямители переменного тока ЧАСТЬ1

Выпрямители переменного напряжения часть 2.

Вольт-амперная характеристика идеального диода

Для выпрямления переменного электрического тока чаще всего используют полупроводниковые диоды. Эти приборы обладают свойством вентиля: они способны практически без потерь пропускать электрический ток в одном направлении и совершенно не проводить его в другом.

Для того чтобы можно было графически представить свойства двухполюсника, например, полупроводникового диода, используют вольт-амперную характеристику (ВАХ). ВАХ устанавливает связь между приложенным к исследуемому прибору напряжением и током через него.

В идеале вольт-амперная характеристика полупроводникового диода должна была бы выглядеть следующим образом.

Для прямого направления тока идеальный полупроводниковый диод должен был бы представлять короткое замыкание, для обратного - разрыв цепи.

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Промежуточное положение между идеальной и реальной вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода занимает идеализированная ВАХ.

В соответствии с этим рисунком для прямого направления тока, полупроводниковый диод представляет собой небольшое сопротивление Rпр., величина которого не зависит от величины приложенного напряжения.

Для обратного направления тока полупроводниковый диод представляет собой большое по величине постоянное сопротивление Rобр., которое также не зависит от напряжения.

Обычно для полупроводниковых диодов, изготовленных из различных материалов, отношение этих сопротивлений (Rобр./Rпр.) находится в пределах 10³...10⁵.

ВАХ полупроводниковых диодов из разных материаллов

ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспоненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдается лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) зависимость тока от напряжения практически линейна. На рисунке показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.

ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные - m, плоскостные - n). Монокристаллические: германиевые - Ge, кремниевые - Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) - Cu₂O; селеновые - Se.

В последние десятилетия в отечественной литературе избегают приводить внешний вид ВАХ полупроводниковых приборов. И это не случайно. Вольт-амперные характеристики не очень хорошо воспроизводимы: они отличаются даже у приборов одной партии. Кроме того, ВАХ, особенно для силовых низкочастотных полупроводниковых приборов, сильно зависят от частоты, от сопротивления нагрузки, его резистивно-емкостных и иных характеристик.

Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупроводниковых приборов испытанных по стандартизированной методике измерений, в пределах использования которой эти данные достаточно воспроизводимы.

К наиболее важным параметрам, характеризующим избранные и наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:

Прямой ток (I_пр.) — среднее значение тока через открытый диод, при котором обеспечивается надежный режим работы.

Прямое падение напряжения (U_пр.) — напряжение на диоде при прохождении прямого тока I_пр.

Обратный ток (I_обр.) — ток через диод при определенном обратном напряжении.

Максимальное обратное напряжения (U_обр.) — напряжение, соответствующее безопасной области работы, после превышения которого может произойти повреждение прибора.

Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно приводят для области низких частот, a именно, 50 Гц. При повышенных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблюдать, например, на характериографе. Более того, емкости переходов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, a также существенно разнятся при прямом и обратном включении. На практике c ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивноемкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схемы необходимо учитывать его частотные характеристики.

Как следует из последнего рисунка, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. B частности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы,что позволяет применять селеновые выпрямители при параллельном или последовательном их включении без использования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).

Меднозакисные выпрямители в настоящее время практически не используют, однако их и сейчас можно встретить в некоторых измерительных приборах.

Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100...130^oС. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800...1200В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, но работают до температур не выше 70^oС. Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут выполнять и другие полупроводниковые приборы, например на основе арсенида галлия GaAs или антимонида индия InSb.

Статическая ВАХ полупроводникового диода

Статическую ВАХ полупроводникового диода (ВАХ при постоянном токе) в области прямых токов можно измерить по точкам в схеме, показанной на следующем рисунке. Величина резистора R2, ограничивающего ток через испытуемый диод, выбирается исходя из значения максимального прямого тока.

Отметим, что результат измерений ВАХ на постоянном токе чаще всего может оказаться неточным: при больших токах будет происходить разогрев полупроводникового перехода, a c ростом температуры экспоненциально возрастает и ток. Поэтому фактические данные измеренной ВАХ будут соответствовать более высокой температуре. Поскольку изменение температуры перехода происходит постепенно и зависит от массы и теплофизических характеристик материалов диода, результат будет зависеть от продолжительности измерения. a также от того, при увеличении или понижении тока (напряжения) троисходят измерения.

Для исследования обратной ветви ВАХ по ее отдельным точкам можно воспользоваться следующей схемой. Величина подаваемого на полупроводниковый диод напряжения ограничена максимальным значением обратного напряжения для исследуемого прибора. Предельную величину обратного тока через диод ограничивает резистор R2.

При исследовании обратной ветви ВАХ на постоянном токе разогрев перехода в процессе эксперимента также сказывается на результате измерений.

Динамическая ВАХ диода

Динамическую ВАХ диода или иного вентильного элемента на частоте 50 Гц можно получить при помощи простейшего характериографа, схема которого изображена на следующем рисунке.

Перед началом измерений (до подключения испытуемого диода) контролируют работу устройства: при коротком замыкании клемм на экране осциллографа должна наблюдаться вертикальная линия, при размыкании — горизонтальная. При нажатой кнопке SB1 на экране должна наблюдаться наклонная линия (в зависимости от выбранной чувствительности осциллографа по осям).

Примеры наблюдаемых на экране ВАХ полупроводниковых диодов, включенных в прямом и обратном направлении, a также низковольтного стабилитрона, также приведены на этом рисунке. При разной чувствительности осциллографа по вертикали и горизонтали можно получить плавные кривые, соответствующие области малых напряжений на полупроводниковом диоде.

Другой вариант схемы характериографа показан на следующем рисунке. На вход Х осциллографа подается напряжение переменного тока (координата напряжения). По оси OY отображается величина, пропорциональная току через исследуемый диод VD_x.

Для изучения частотных свойств полупроводникоеых приборов питать схему синусоидальным напряжением можно не через трансформатор, как это показано на рисунках, a от низкочастотного генератора, обеспечивающего достаточное выходное напряжение. Более сложные устройства для исследования динамических ВАХ полупроводниковых диодов содержат схемные узлы для масштабирования обратной ветви ВАХ.

Соединение диодов параллельно и последовательно

Поскольку ВАХ полупроводниковых диодов даже одного типа заметно отличаются друг от друга, для того, чтобы объединить свойства нескольких диодов, например, соединить их так, чтобы увеличить максимальный прямой ток либо повысить максимальное обратное напряжение, используют специальные приемы (см. таблицу).

Для увеличения рабочего тока совершенно неверно будет просто объединить группу диодов параллельно. Непременно окажется, что по одному из диодов потечет больший ток в силу различии ВАХ. Это вызовет разогрев его перехода, что, в свою очередь, сделает ВАХ диода еще более крутой, ток через диод возрастет еще больше. В итоге полупроводниковый переход разрушится, после чего процесс выхода из строя последовательно повторится на остальных диодах. Чтобы избежать этого, при параллельном включении диодов последовательно c каждым диодом включают сопротивление (для выравнивания токов через них) — в зависимости от тока от долей до десятков Ом.

Аналогичная ситуация складывается и при последовательном соединении полупроводниковых диодов (для увеличения обратного напряжения). K диодам последовательной цепочки будет приложена разная часть общего напряжения (из-за различий ВАХ). B итоге по крайней мере одно самое слабое звено этой цепочки будет повреждено, a схема перестанет работать. Для выравнивания падений напряжения на цепочке из диодов параллельно им включают резисторы равного сопротивления (обычно от 100 до 1000 кОм). Чем ниже величина сопротивления, тем равномернее будет распределение напряжений, однако, как и в предыдущем случае, включение дополнительных резисторов в определенной мере ухудшает выпрямительные свойства сборки диодов.