В блоках питания радиотехнической и электронной аппаратуры выпрямители почти всегда выполняют преобразование переменного тока в постоянный. Это обусловлено тем, что практически все электронные схемы и многие другие устройства должны питаться от источников постоянного напряжения. Выпрямителем может служить любой элемент с нелинейной вольт-ампертной характеристикой, другими словами, по-разному пропускающий ток в противоположных направлениях. В современных устройствах как правило применяют плоскостные полупроводниковые диоды.
Схема полупроводникового диода.
Плоскостные полупроводниковые диоды
Помимо хороших проводников и изоляторов существует масса веществ, занимающих по проводимости промежуточное положение между двумя этими классами. Такие вещества называют полупроводниками. Сопротивление чистого полупроводника с ростом температуры уменьшается в отличие от металлов, сопротивление которых в этих условиях возрастает.
Добавляя к чистому полупроводнику небольшое количество примеси, можно существенно изменить его проводимость. Существует два класса таких примесей:
Рисунок 1. Плоскостной диод: а. строение диода; б. обозначение диода в электротехнических схемах; в. внешний вид плоскостных диодов различной мощности.
- Донорные — превращают чистый материал в полупроводник n-типа, обогащая его избытком свободных электронов. Проводимость такого типа называют электронной.
- Акцепторные — превращают такой же материал в полупроводник p-типа, обладающий искусственно созданным дефицитом свободных электронов. Проводимость такого полупроводника называют дырочной. «Дырка» – место, которое покинул электрон, ведет себя аналогично положительному заряду.
Слой на границе полупроводников p- и n-типа (p-n переход) обладает односторонней проводимостью – хорошо проводит ток в одном (прямом) направлении и очень плохо в противоположном (обратном). Устройство плоскостного диода показано на рисунке 1а. Основа – пластинка из полупроводника (германий) с небольшим количеством донорной примеси (n-типа), на которую помещается кусочек индия, являющегося акцепторной примесью.
После нагрева индий диффундирует в прилегающие области полупроводника, превращая их в полупроводник p-типа. На границе областей с двумя типами проводимости и возникает p-n переход. Вывод, соединенный с полупроводником p-типа, называют анодом получившегося диода, противоположный – его катодом. Изображение полупроводникового диода на принципиальных схемах приведено на рис. 1б, внешний вид плоскостных диодов различной мощности – на рис. 1в.
Простейший выпрямитель
Рисунок 2. Характеристики тока в разных схемах.
Ток в обычной осветительной сети является переменным. Его величина и направление изменяются 50 раз в течение одной секунды. График зависимости напряжения от времени показан на рис. 2а. Красным цветом отмечены положительные полупериоды, синим – отрицательные.
Поскольку величина тока меняется от нуля до максимального (амплитудного) значения, вводят понятие действующего значения тока и напряжения. Например, в осветительной сети действующее значение напряжения 220 В — в нагревательном приборе, включенном в эту сеть, за одинаковые промежутки времени выделяется столько же тепла, сколько в схеме с постоянным током напряжением 220 В.
Но на самом деле напряжение в сети меняется за 0,02 с следующим образом:
- первую четверть этого времени (периода) – увеличивается от 0 до 311 В;
- вторую четверть периода – уменьшается от 311 В до 0;
- третью четверть периода – уменьшается от 0 до 311 В;
- последнюю четверть периода – возрастает от 311 В до 0.
В этом случае 311 В – амплитуда напряжения Uо. Амплитудное и действующее (U) напряжения связаны между собой формулой:
Рисунок 3. Диодный мост.
При включении в цепь переменного тока последовательно соединённых диода (VD) и нагрузки (рис. 2б), ток через нее протекает только во время положительных полупериодов (рис. 2в). Происходит это благодаря односторонней проводимости диода. Называется такой выпрямитель однополупериодным – одну половину периода ток в цепи есть, во время второй – отсутствует.
Ток, протекающий через нагрузку в таком выпрямителе, не постоянный, а пульсирующий. Превратить его практически в постоянный можно, включив параллельно нагрузке конденсатор фильтра Cф достаточно большой емкости. В течение первой четверти периода конденсатор заряжается до амплитудного значения, а в промежутках между пульсациями разряжается на нагрузку. Напряжение становится почти постоянным. Эффект сглаживания тем сильнее, чем больше емкость конденсатора.
Схема диодного моста
Более совершенной является двухполупериодная схема выпрямления, когда используются и положительный, и отрицательный полупериод. Существует несколько разновидностей таких схем, но чаще всего используется мостовая. Схема диодного моста приведена на рис. 3в. На ней красная линия показывает, как протекает ток через нагрузку во время положительных, а синяя – отрицательных полупериодов.
Рисунок 4. Схема выпрямителя на 12 вольт с использованием диодного моста.
И первую, и вторую половину периода ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении (рис. 3б). Количество пульсации в течение одной секунды не 50, как при однополупериодном выпрямлении, а 100. Соответственно, при той же емкости конденсатора фильтра эффект сглаживания будет более ярко выражен.
Как видно, для построения диодного моста необходимо 4 диода – VD1-VD4. Раньше диодные мосты на принципиальных схемах изображали именно так, как на рис. 3в. Ныне общепринятым считается изображение, показанное на рис. 3г. Хотя на ней только одно изображение диода, не следует забывать, что мост состоит из четырех диодов.
Мостовая схема чаще всего собирается из отдельных диодов, но иногда применяются и монолитные диодные сборки. Их проще монтировать на плате, но зато при выходе из строя одного плеча моста, заменяется вся сборка. Выбирают диоды, из которых монтируется мост, исходя из величины протекающего через них тока и величины допустимого обратного напряжения. Эти данные позволяет получить инструкция к диодам или справочники.
Полная схема выпрямителя на 12 вольт с использованием диодного моста приведена на рис. 4. Т1 – понижающий трансформатор, вторичная обмотка которого обеспечивает напряжение 10-12 В. Предохранитель FU1 – нелишняя деталь с точки зрения техники безопасности и пренебрегать им не стоит. Марка диодов VD1-VD4, как уже говорилось, определяется величиной тока, который будет потребляться от выпрямителя. Конденсатор С1 – электролитический, емкостью 1000,0 мкФ или выше на напряжение не ниже 16 В.
Напряжение на выходе – фиксированное, величина его зависит от нагрузки. Чем больше ток, тем меньше величина этого напряжения. Для получения регулируемого и стабильного выходного напряжения требуется более сложная схема. Получить регулируемое напряжение от схемы, приведенной на рис. 4 можно двумя способами:
- Подавая на первичную обмотку трансформатора Т1 регулируемое напряжение, например, от ЛАТРа.
- Сделав от вторичной обмотки трансформатора несколько отводов и поставив, соответственно, переключатель.
Остается надеяться, что описания и схемы, приведенные выше, окажут практическую помощь в сборке простого выпрямителя для практических нужд.
