13024

Исследование однофазных выпрямителей

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №1 Исследование однофазных выпрямителей Содержание Цель работы: 1. Общие сведения 1.1. Классификация диодов 1.2. Выпрямительные диоды 1.3. Стабилитроны и стабисторы 1.4. Универсальные и импульсные диоды 1.5. Варикапы 1.6. Туннельные и обраще

Русский

2013-05-07

379.79 KB

115 чел.

Лабораторная работа №1

«Исследование однофазных выпрямителей»

Содержание

Цель работы: 

1. Общие сведения

1.1. Классификация диодов

1.2. Выпрямительные диоды

1.3. Стабилитроны и стабисторы

1.4. Универсальные и импульсные диоды

1.5. Варикапы

1.6. Туннельные и обращенные диоды

2. Экспериментальная часть

2.1. Схема А. Однофазный однополупериодный выпрямитель

2.2. Схема Б. Однофазный двуполупериодный выпрямитель со средней точкой

2.3. Схема В. Однофазный двуполупериодный мостовой выпрямитель

2.4. Схема Г. Выпрямитель с умножением напряжения

Вывод

Список литературы


Цель работы: 

изучение принципов действия однофазного однополупериодного выпрямителя и однофазных двухполупериодных выпрямителей.


1. Общие сведения

Электрическая энергия подается к потребителям в виде трехфазного или однофазного переменного тока. Однако для питания различных электронных приборов, автоматических устройств, а также для электрифицированного транспорта используется постоянный ток, который получают выпрямлением переменного тока. С этой целью чаще всего используются полупроводниковые выпрямители. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное напряжение (одной полярности).

Их основу составляют полупроводниковые диоды (вентили).

1.1. Классификация диодов

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

  1.  методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шотки и др.;
  2.  материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;
  3.  физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;
  4.  назначению: выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смесительные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рассмотрены в настоящей главе, а другие – в соответствующих разделах учебного пособия.

1.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обычный р-n-переход. В практических случаях р-n-переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

  1.  максимальный прямой ток .
  2.  обратный ток при заданном обратном напряжении (значение обратного тока германиевых диодов на два – три порядка больше, чем у кремниевых);
  3.  падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Inp(Unp0,3...0,7 В для германиевых диодов и Unp0,8…1,2 В – для кремниевых);
  4.  максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода (для германиевых диодов до 400 В, кремниевых до 1000 В);
  5.  барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
  6.  диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
  7.  рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне –60...+70°С, кремниевые – в диапазоне –60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные р-n-переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие до 1 А и до 600В.

При протекании больших прямых токов и определенном падении напряжения на диоде в нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры р-n-перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже водяное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером Шотки. Этот диод характеризуется высоким быстродействием и малым падением напряжения (<0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

1.3. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рис. 1), т.е. с большим значением крутизны . Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации равно напряжению пробоя р-n-перехода при некотором заданном токе стабилизации . Стабилизирующие свойства характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона , которое должно быть возможно меньше. Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения , где dТ и d – изменения температуры и напряжения. Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А; от 0,05 до 0,15 %/К; от долей и единиц ома (у мощных стабилитронов) до сотен и даже тысяч ом (у высоковольтных маломощных стабилитронов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, имеющие до 0,0005 %/К, т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их используют в качестве источников опорного напряжения.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные р-n-переходы.

1.4. Универсальные и импульсные диоды

Они применяются для преобразования высокочастотных и импульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить минимальные значения реактивных параметров, что достигается благодаря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью (см. § 3.7, 3.8). Для уменьшения времени жизни используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в запрещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации.

Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузионной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (временем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади р-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разделены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области. Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n-перехода). Таким образом, i-область с низкой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектрической проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в р- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная емкость p-i-n-диода определяется размерами i-слоя и при достаточно широкой i-области от приложенного постоянного напряжения практически не зависит.

Особенность работы р-i-n-диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое сопротивление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротивления i-области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n-диода характерно очень большое отношение прямого и обратного сопротивлений, что важно при использовании их в переключательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных диодов используются структуры с барьерами Шотки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости определяются только основными носителями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шотки состоит в том, что тонкий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полупроводником , так что получается структура M-i-n. В высокоомном i-слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщина обедненного слоя в -области очень мала и не зависит от напряжения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от напряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шотки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накапливают неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рис. 2). При этом значение может быть значительным, но должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распределения примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи границы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способствовать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехода. В момент , когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный заряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время спадания обратного тока до значения .

1.5. Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем используется свойство р-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шотки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и ум-ножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

1.6. Туннельные и обращенные диоды

Туннельными являются полупроводниковые диоды, в которых используется туннельный эффект, приводящий к появлению на прямой ветви ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3). Они используются и в качестве сверхскоростных переключателей. Эти диоды изготовляют из сильнолегированных (вырожденных) арсенида галлия или германия. Ширина обедненного слоя р-n-перехода туннельных диодов из-за большой концентрации примеси очень мала (около 10 нм, т.е. в сотни раз меньше, чем у других диодов). Кроме того, уровни Ферми вырожденных областей находятся в зоне проводимости и валентной зоне. Теория и эксперимент показывают, что при обратных и небольших (около 100...200 мВ) прямых напряжениях появляется дополнительный ток, объясняемый квантовой природой туннельного эффекта. При этом эффекте частица (электрон) способна пройти сквозь потенциальный барьер без изменения своей энергии на свободный энергетический уровень.

На рис. 3 кроме ВАХ показаны зонные диаграммы, соответствующие характерным точкам ВАХ, и указаны направления движения носителей. При увеличении прямого напряжения туннельный ток вначале возрастает и достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении туннельный ток убывает до нуля, но при этом начинает увеличиваться прямой ток, соответствующий инжекции носителей и определяемый прохождением над потенциальным барьером. Таким образом, прямой ток туннельного диода представляет собой сумму сначала нарастающего, а затем падающего до нуля при увеличении U туннельного тока и обычного, связанного с инжекцией, т.е. диффузионного тока. В результате этого на ВАХ появляется участок спада прямого тока (М-образная ВАХ). При подаче обратного напряжения туннельный обратный ток резко возрастает, приводя к туннельному пробою.

Туннельный эффект развивается за 10-14...10-13c, поэтому туннельные диоды могут использоваться на СВЧ. Частотный предел работы таких диодов ограничивается только собственными реактивностями (емкостями р-n-перехода и корпуса), а также индуктивностью вывода.

Туннельный диод представляет собой полупроводниковый прибор, работающий при малых напряжениях (десятые доли вольта) и относительно небольших токах (единицы миллиампер).

При снижении степени легирования одной из областей сильнолегированного р-n-перехода туннельный эффект проявляется слабо и туннельный ток прямой ветви ВАХ становится незначительным. Диоды, обладающие большим туннельным обратным и малым туннельным прямым токами, называются обращенными (рис. 4) и используются в схемах переключения в наносекундном и пикосекундном диапазонах, а также для детектирования СВЧ-сигналов.

Основными параметрами ВАХ туннельных диодов являются:

  1.  пиковый ток и ток впадины – прямые токи в точках максимума и минимума ВАХ, а также соответствующие этим токам напряжения пика и впадины ;
  2.  напряжение раствора (раскрыва) , при котором ток при увеличении прямого напряжения становится равным пиковому току ;
  3.  отрицательное дифференциальное сопротивление (десятки – сотни ом). Для туннельных диодов из германия / =4...6, =40...100MB, =300...450 мВ, а из арсенида галлия / до 10 и выше, = 100...200 мВ, =400...600 мВ.

2. Экспериментальная часть

Схема А. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Схема Б. Однофазный двуполупериодный выпрямитель со средней точкой

Схема В. Однофазный двуполупериодный мостовой выпрямитель

Схема Г. Выпрямитель с умножением напряжения

Рис 5. Схема лабораторной установки

2.1. Схема А. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Рис. 6. Схема А. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Входное напряжение

Напряжение на входе схемы А.

В

Рис. 7. Схема А. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Выходное напряжение

Напряжение на выходе схемы А

В

2.2. Схема Б. Однофазный двуполупериодный выпрямитель со средней точкой

Рис. 8. Схема Б. Однофазный двуполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Входное напряжение

Напряжение на входе схемы Б.

В

Рис. 9. Схема Б. Однофазный двуполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Выходное напряжение

Напряжение на выходе схемы Б

В

2.3. Схема В. Однофазный двуполупериодный мостовой выпрямитель

Рис. 10. Схема В. Однофазный двуполупериодный мостовой выпрямитель. Входное напряжение

Напряжение на входе схемы В.

В

Рис. 11. Схема В. Однофазный двуполупериодный мостовой выпрямитель. Выходное напряжение

Напряжение на выходе схемы В

В

2.4. Схема Г. Выпрямитель с умножением напряжения

Рис. 12. Схема Г. Выпрямитель с умножением напряжения.

Входное напряжение

Напряжение на входе схемы Г.

В (Множитель 2)

Рис. 13. Схема Г. Выпрямитель с умножением напряжения.

Выходное напряжение

Напряжение на выходе схемы Г.

В (Множитель 5)

Вывод

В данной лабораторной работе было выполнено исследование однофазных выпрямителей.

Простейшим  выпрямителем является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода. В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход.

Вентильное  свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде мало и обычно не превышает одного вольта.

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше.

Для повышения качества напряжения на выходе выпрямителя устанавливаются сглаживающие фильтры, которые должны, с одной стороны, пропускать без ослабления постоянную составляющую выпрямленного напряжения в нагрузку, а с другой стороны, ослаблять гармонические составляющие. Фильтры выполняются на реактивных элементах (индуктивностях и конденсаторах), сопротивления которых являются функциями частоты.

В емкостном фильтре конденсатор включается параллельно сопротивлению нагрузки, в индуктивном – последовательно.

Сглаживающее действие емкостного фильтра определяется процессами заряда и разряда конденсатора Сф.

При открытии одного из диодов происходит заряд конденсатора. Вследствие малых величин сопротивлений обмоток трансформатора и открытого диода, а также достаточно большой величины сопротивления нагрузки RH можно считать, что изменение напряжения на конденсаторе при его заряде практически будет повторять изменение напряжения, подаваемого на анод открытого диода.

При значении фазы , превышающей величину, при которой достигается максимум напряжения на аноде диода, наступает момент выравнивания напряжений на аноде и катоде диода.

В момент времени, когда диоды закрыты, происходит разряд конденсатора Сф через сопротивление нагрузки RH с соответствующим уменьшением на нем напряжения. Разряд будет продолжаться до момента времени t, когда напряжение на конденсаторе станет равным напряжению на аноде диода.

Диод открывается, а конденсатор Сф вновь начинает заряжаться.

Качество фильтрации повышается с увеличением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки. При бесконечно больших значениях Сф и RH напряжение на нагрузке имеет максимальное значение, равное амплитуде напряжения, подводимого к анодам диодов.

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного последовательно с нагрузкой. Под дросселем подразумевается обычная катушка, характеризующаяся определённой индуктивностью.

Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так, чтобы индуктивное сопротивление его обмотки было больше сопротивления нагрузки RH. При выполнении этого условия большая часть переменной составляющей падает на обмотке дросселя. На сопротивлении нагрузки выделяется в основном постоянная составляющая выпрямленного напряжения  и переменная составляющая, величина которой намного меньше переменной составляющей напряжения, падающего на обмотке дросселя.

При использовании LC – фильтра сопротивление дросселя для переменных составляющих тока соединяется с нагрузкой последовательно, а конденсатор параллельно, и если выполняется условие Хс << Rн << ХL, то напряжение пульсаций на нагрузке будет малым.

Схема выпрямителя с умножением напряжения позволяет получить на нагрузке выпрямленное напряжение, приближающееся по величине к удвоенной амплитуде входного напряжения. В данной схеме произведено последовательное включение двухполупериодных выпрямителей, один из которых работает в положительный полупериод напряжения, а другой – в отрицательный полупериод.


Список литературы

  1.  Электротехника и основы электроники/ О.А. Антонова, О.П. Глудкин, П.Д. Давидов. Под ред. О.П. Глудкина, В.П. Соколова. – М.: Высшая школа, 1998
  2.  Жеребцов И. П. Основы электроники. – Л. Энергоатомиздат, 1999