Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Вентильная группа мостового выпрямителя (рис. 6) содержит четыре диода, являющиеся плечами моста. К одной диагонали моста присоединена обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор R_Н.

Рис. 6. Двухполупериодный выпрямитель: а – схема, электрическая принципиальная; б - временные диаграммы напряжения
(добавить напряжение на диоде) и тока, поясняющие принцип работы

В течение положительного полупериода напряжения u₂ (рис. 6б), когда потенциал точки a выше потенциала точки x, открыты диоды VD1 и VD3, а два других закрыты. В отрицательный полупериод, наоборот, открыты VD2 и VD4. В оба полупериода ток в нагрузочном резисторе имеет одно и то же направление; ток во вторичной обмотке трансформатора синусоидальный.

Средние значения выпрямленных напряжения U_н.ср и тока I_н.ср связаны с действующими значениями напряжения U₂ и тока I₂ обмотки трансформатора соотношениями:

;

.

Коэффициент пульсации

.

Частота напряжения пульсаций

.

Среднее значение тока в диоде

,

а максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов

.

Ток во вторичной обмотке трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора

.

Достоинства – хорошее использование трансформатора, невысокое обратное напряжение на диодах.

Это самый распространенный тип выпрямителя для однофазных цепей, к его недостаткам можно отнести протекание тока всегда по двум диодам выпрямителя, что снижает его КПД и надежность.

2.5. Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом по существу состоит из трех однофазных однополупериодных выпрямителей, соединенных параллельно и работающих на общий приемник, включенный между узловыми точками (рис. 7). Диоды пропускают ток поочередно, каждый в течение трети периода. В любой момент времени ток пропускает тот из диодов, потенциал анода которого более высокий по отношению к нейтральной точке. Кривая выпрямленного напряжения формируется из отрезков синусоид фазных напряжений трансформатора (рис. 8).

Рис. 7. Схема трехфазного выпрямителя

Рис. 8. Временные диаграммы напряжения (добавить напряжение на диоде) и тока трехфазного выпрямителя

Средние значения выпрямленных напряжения и тока

;

,

где U₂ и I₂ – действующие значения фазных напряжения и тока.

Коэффициент пульсаций

.

Частота напряжения пульсаций

.

Среднее значение тока в каждом диоде

,

а максимальное обратное напряжение на закрытом диоде равно амплитуде линейного напряжения:

.

Ток во вторичной обмотке трансформатора

;

Коэффициент использования трансформатора

.

Достоинства – простота, низкий коэффициент пульсаций.

Недостатки – высокое обратное напряжение на диодах, подмагничивание трансформатора.

Так же как и однофазный из-за плохого использования трансформатора однополупериодный трежфазный выпрямитель находит свое применение только для ограниченного диапазона мощностей нагрузки (до 2 кВт).

Трехфазный мостовой выпрямитель

Здесь шесть диодов (рис. 9) образуют две группы: катодную (VD1, VD3, VD5) и анодную (VD2, VD4, VD6). В каждый момент времени ток проводят два диода: один из катодной группы, потенциал анода которого наиболее высокий относительно нейтрали трансформатора, а другой из анодной группы, потенциал катода которого наиболее низкий. Кривая выпрямленного напряжения (рис. 10) формируется из отрезков синусоид линейных напряжений.

Рис. 9. Схема трехфазного выпрямителя

Рис. 10. Временные диаграммы напряжения (добавить напряжение на диоде) и тока трехфазного выпрямителя

Средние значения выпрямленных напряжения и тока связаны с действующими линейными напряжением и током вторичной обмотки трансформатора следующими соотношениями:

;

.

Коэффициент пульсации

.

Частота напряжения пульсаций

.

Ток в диоде

Работа тиристора

Рассмотрим свойства тиристора при отсутствии тока управления (U_y=0, I_y=0). Такой режим соответствует режиму работы динистора - порогового полупроводникового прибора, имеющего два вывода, и переходящего из закрытого в открытое состояние при превышении приложенным прямым напряжением определённого порогового значения. При прямом включении тиристора (на аноде – плюс, на катоде – минус рис. 4) переходы П₁ и П₃ открыты, а П₂ закрыт (рис. 5а). При этом все приложенное к прибору напряжение будет распределяться между тремя переходами в зависимости от соотношения их вольтамперных характеристик. Сопротивление закрытого перехода велико, поэтому ток в тиристоре мал (участок 0 – а на вольт-амперной характеристике (ВАХ) тиристора (рис. 6), и тиристор остается в закрытом состоянии. Участок 0 – a ВАХ практически представляет собой обратную ветвь ВАХ закрытого p-n перехода П₂.

При напряжении U_пр=U_пер происходит переключение тиристора, то есть переход его из закрытого состояния в открытое. При дальнейшем увеличении напряжения

U источника или уменьшении сопротивления R_н ток в тиристоре возрастает в соответствии с участком в - г ВАХ, который соответствует открытому состоянию тиристора. При уменьшении тока до значения ниже тока удержания I_уд тиристор выключается. При этом восстанавливается высокое сопротивление перехода П₂.

Наличие тока управления приводит к уменьшению напряжения переключения тиристора (семейство характеристик на рис. 6). При управляющем токе, получившем название ток спрямления (I_у=I_у.с), ВАХ спрямляется, то есть по виду практически соответствует ВАХ диода (кривая 0-в-г на рис. 6). При таком токе управления тиристор сразу переходит в открытое состояние подобно диоду. В зависимости от типа тиристора ток спрямления I_у.с может составлять от нескольких микроампер до нескольких сотен миллиампер (для мощных тиристоров).

При обратной полярности внешнего напряжения переходы П₁ и П₃ закрыты и тиристор закрыт (рис. 5б). Обычно в тиристоре практически все обратное напряжение приложено к переходу П₁.

Процессы включения и выключения тиристора можно рассмотреть с помощью двухтранзисторной аналогии. Проводя мысленно разрез, показан­ный пунктиром на рис. 7а, представим четырехслойную струк­туру в виде схемы, приведенной на рис. 7б.

Управляющий ток I_упр является базовым током транзистора VT2. Этот базовый ток усиливает инжекцию носителей со стороны эмиттера Э2, так что коллекторный ток I_K2 равен a₂I_Э2 или b₂I_Б2, где b₂=a₂/(1-a₂) (здесь и далее: a=DI_к/DI_э – коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор; b=DI_к/DI_б – коэффициент усиления тока базы для соответствующего транзистора – VT1 и VT2). Однако ток I_K2 является также базовым током I_Б1 для транзистора VT1. Этот базовый ток обусловливает инжекцию носителей эмиттера Э1, в результате чего ток I_К1 равен a₁I_Э1 или b₁I_Б1 где b₁=a₁/(1-a₁). Ток I_К1 в сумме с током I_упр образует ток I_б2. Очевидно, что обратная связь в подобной схеме по­ложительна. Если коэффициенты a₁ и a₂ достаточны для того, чтобы усиление в контуре обратной связи достигло единицы, базовые токи быстро возрастут и оба транзистора окажутся насыщенными даже после того, как управляющий ток будет уменьшен до нуля. Таким образом, даже короткий импульс управления может вызвать лавинообразный процесс увеличения тока, обусловленный действием положительной обратной связи. При этом коллекторный переход П2 будет смещён в прямом направлении. У каждого из двух транзисторов напряжение в насыщенном состоянии является суммой напряжений на обоих переходах: у одного U_П1+U_П2, у другого U_П2+U_П3.

Так как напряжение U_П2 противоположно по знаку U_П1 и U_П3, напряжение насыщения четырехслойной структуры может быть мало, поскольку при суммировании всех трех напряжений полное прямое падение напряжения оказывается примерно равным падению напряжения на одном переходе, смещенном в прямом направлении. Таким образом, все три перехода будут иметь прямое смещение, и от анода к катоду через тиристор может протекать значительный ток при весьма низком падении напряжения.

Примечание. В приведенном выше обсуждении работы четырехслойной структуры предполагалось, что управляющий электрод соединен с областью р₂. Очевидно, что такое же действие может быть по­лучено при соединении управляющего электрода с областью n₁ (тиристор с управлением по аноду), но направление управляющего тока при этом должно быть изменено.

Процесс отпирания тиристора.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое с помощью тока управления называют включением тиристора. При этом в цепь управления подается кратковременный импульс тока необходимой амплитуды и длительности

Используя обозначения рис. 7б, можно написать следующие соотношения:

(1)

(2)

(3)

(4)

где I_А, I_кат, I_упр – ток анода, катода и управляющего электрода тиристора соответственно;

I_К1, I_К2 – катодные токи транзисторов VT1, VT2 двухтранзисторной схемы земещения;

М – коэффициент лавинного размножения носителей заряда,

I₀ – ток утечки.

Центральный переход П2 разделен пополам, и поэтому ток утечки через него I₀ входит с коэффициентом 0,5 в выражения для обоих коллекторных токов I_К1 и I_К2. Подставив соотношения (3) и (4) в уравнение (2), получим уравнение:

. (5)

Это уравнение показывает, что при

(6)

ток анода I_А бесконечно растет, что соответствует переходу структуры в описанное ранее состояние проводимости, когда на переходе П2 оказывается прямое напряжение смещения.

Примем для простоты, что М=1. Если оба коэффициента a₁ и a₂ неизменны и a₁+a₂<1, то оба составляющих транзистора не могут быть доведены до насыщения. При этом переход структуры в состояние проводимости может быть обусловлен лишь лавинным размножением носителей или пробоем перехода П2 при высоких напряжениях. Если же a₁ и a₂ неизменны, но a₁+a₂>1, то структура находится все время в состояния проводимости и не может запирать напряжение. Специфика процесса включения реальной структуры заключается в том, что коэффициенты a не постоянны и являются функциями тока и температуры.

При низких плотностях тока эмиттера основная потеря носителей зарядов в любом из транзисторов происходит в центрах ре­комбинации в области пространственного заряда эмиттера. Так как при этом только небольшая доля тока эмиттера доходит до коллектора, коэффициенты a малы. По мере увеличения плотности тока эмиттера ток рекомбинации составляет все меньшую долю от полного тока, и коэффициенты a растут, пока величина a₁ и a₂ не становится больше единицы, что вызывает скачкообразное включение прибора. Коэффициенты a зависят также от приложенного напряжения, но эта зависимость менее заметна.

Влияние управляющего тока сводится к увеличению тока эмиттера, вызывающему рост a, пока не будет достигнуто равенство (6). С увеличением управляющего тока прямое напряжение, при котором происходит отпирание, снижается (рис. 6).

Когда управляющий ток достигает достаточно большого значения I_{у. спр}, область запертого состояния в прямом направлении исчезает и вольт-амперная характеристика прибора приближается, по существу, к прямой характеристике простого p-n-перехода.

Процесс запирания тиристора.

Когда прибор находится в состоянии проводимости, электроны и дырки интенсивно инжектируются в два внутренних слоя структуры. Фактически, как упоминалось выше, начальная концентрация примесей в этих слоях относительно мала, и поэтому для поддержания зарядной нейтральности и устранения чрезмерно сильного прямого падения напряжении необходимо, чтобы концентрации инжектируемых электронов и дырок были примерно равными.

Возврат прибора в запертое состояние требует устранения введенных носителей. Естественно, что, если анодный ток снижается до уровня, меньшего, чем ток удержания I_уд, то количество но­сителей зарядов уменьшается в результате рекомбинации, положительная обратная связь прекращается и прибор возвращается в закрытое состояние.

При работе тиристоров в области промышленных частот такой относительно медленный процесс не вызывает особых проблем. При работе на переменном напряжении обратный полупериод оказывает полезное влияние на процесс запирания, так как приложенное к прибору обратное напряжение способствует исчезновению остаточных носителей, что необходимо для запирания тиристора к началу следующего иолупериода.

Когда тиристор используется как выключатель в цепях, отлич­ных от цепей переменного тока, например в инверторах и других устройствах, для затирания прибора необходимо предусмотреть осо­бые меры. В цепи постоянного тока тиристор можно выключить путем уменьшения его прямого тока до значения меньшего тока удержания или подачей на анод А импульса обратной полярности (например, с помощью разрядки конденсатора).

При реверсировании напряже­ния электроны и дырки, накопившиеся во внутренних областях, будут уходить в направлении переходов П1 и П3. Это приводит к прохож­дению обратного тока через внешнюю цепь. Напряжение на зажи­мах тиристора сохраняется на уровне порядка 0,7 – 1,0 В до мо­мента прекращения обратного тока, когда переходы П1 и П3 ока­зываются запертыми. Однако этого недостаточно для полного вос­становления, так как вблизи центрального перехода П2 еще сохра­няются остаточные носители. Исчезновение этих носителей проис­ходит за счет рекомбинации, которая по существу не зависит от внешнего смещения. Когда рекомбинация этих носителей практиче­ски полностью заканчивается, переход П2 возвращается в запертое состояние. Если рекомбинация остаточных носителей не будет в достаточной мере завершена, то они могут вызвать инжектирование новых носителей со стороны переходов П1 и П3, когда по­следние вновь получат прямое смещение в начале следующего цикла работы.

Тиристор также можно выключить снижением до нуля прямого тока обычным размыканием силовой анодно-катодной цепи либо кратковременным замыканием накоротко анода и катода.

В цепи переменного тока тиристор можно включить в любой момент положительной полуволны (прямого напряжения) подачей импульса на управляющий электрод. Такой способ управления называется импульсно-фазовым способом включения тиристора. Выключение происходит при прохождении тока (в цепи анод-катод) через нуль вместе с синусоидой напряжения.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: