Полупроводниковые элементы и выпрямители

Полупроводниковые элементы и выпрямители

Полупроводниковые элементы используют для преобразования переменного тока в постоянный.
Полупроводниками называются некоторые вещества, обладающие промежуточным свойством электропроводности между проводником электрического тока и диэлектриком. В простейших выпрямительных устройствах применяют два вида полупроводниковых элементов: диоды и тиристоры.

Диоды

В плотном стыке двух полупроводниковых веществ с вкрапленными в них некоторыми разнородными примесями образуется тонкий слой с односторонней электрической проводимостью. Если к такому элементу приложить переменное напряжение, ток будет проходить лишь в одном направлении.

Такой элемент называется диодом или полупроводниковым вентилем. Как видно из рисунка, для одного из направлений приложенного напряжения (верхняя полуволна) диод является проводником, а для обратного направления (нижняя полуволна) —диэлектриком. Если приложенное напряжение превышает диэлектрическую прочность диода, последний может разрушиться вследствие электрического пробоя.

Поэтому важным параметром, характеризующим диод, является допустимое значение обратного напряжения. Другим, не менее важным показателем служит предельная нагрузочная способность диода, т. е. наибольший ток, который он может пропускать. Промышленность выпускает диоды, рассчитанные на ток до 800 А и напряжение до 1300 В. При необходимости увеличения диапазона пропускаемого тока и прилагаемого напряжения в первом случае диоды соединяют группами параллельно, а во втором — последовательно.

Тиристор

Представляет собой вентиль с управляющим электродом. Действие тиристора отличается от диода тем, что у тиристора эффект односторонней проводимости проявляется лишь после того, как через управляющий электрод в тиристор вводится дополнительный ток, открывающий его. При отсутствии управляющего тока тиристор заперт как для прямого, так и для обратного направления приложенного напряжения.

Выпрямители

Выпрямители — устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный,— по характеру выпрямленного тока подразделяют на одно- и двухполупериодные (одно- или двухтактные). Нагрузка R и вентиль (диод) В подключены последовательно к источнику переменного тока. Напряжение и, приложенное к вентилю проходит через вентиль и нагрузку с перерывами, равными половине периода переменного тока, поскольку вентиль пропускает только положительную полу-волну переменного тока.

Двухтактный (двухполупериодный) выпрямитель в отличие от однотактного пропускает поочередно через разные диоды (или группы диодов) ток, обусловленный обеими полуволнами приложенного переменного напряжения. В связи с этим действующее выпрямленное напряжение в схеме двухтактного выпрямления выше, чем у однотактного. В течение первого полупериода ток проходит через вентиль В1, а в течение второго — через вентиль В2. Выпрямленный ток в течение полупериода замыкается на сопротивление нагрузки R через вентили В2 и В4, а в течение второго — через вентили В1 и ВЗ. Кривая выпрямленного тока показана на рис. 129, в.

Регулируемые выпрямители на тиристорах помимо выпрямления приложенного переменного напряжения обеспечивают возможность регулирования выпрямленного напряжения, изменяя момент открытия тиристора с помощью управляющего воздействия. Особенностью тиристоров является то, что посредством управляющего импульса они могут быть только открыты, а заперты быть не могут. Запертое состояние тиристора наступает, когда проходящий через него ток снижается до нуля.

Выводы использования

Поскольку значение среднего напряжения пропорционально площади, охватываемой кривой зависимости напряжения от времени, в этом случае среднее значение выпрямленного напряжения окажется меньшим по сравнению с условиями непрерывного прохождения тока. Если момент открывания вентиля сдвинуть еще больше, то срезанная часть выпрямленного напряжения еще увеличится, а среднее значение выпрямленного напряжения снизится в большей степени, чем в предыдущем случае.

Используя тиристоры при выпрямлении переменного тока, можно регулировать среднюю величину выпрямленного напряжения путем изменения фазы импульса, открывающего тиристор.
В качестве примера рассмотрим регулируемый выпрямитель с тиристорами, управляемыми мостовым фазосмещателем.

Управляемый выпрямитель построен по схеме вентильного моста, содержащего два диода В1 и В2 и два тиристора ВУ1 и ВУ2. Диоды и тиристоры обеспечивают неизменную полярность « + » и «—» па зажимах выхода схемы, т. е. осуществляют обычную функцию вентилей в мостовой схеме. Кроме того, тиристоры служат для регулирования среднего значения выпрямленного напряжении. Регулируют напряжение изменением фазы управляющего импульса, подаваемого на тиристоры. Фазосмещатель ФС построен также по мостовой схеме, два плеча которой составлены из вторичных полуобмоток трансформатора Т, а другие два плеча — из индуктивности L и регулируемого резистора R.

Напряжения в двух ветвях вторичной обмотки трансформатора сдвинуты одно относительно другого на полпериода, следовательно, управляющие импульсы также возникают один за другим с интервалом в полперпода, открывая поочередно тиристоры ВУ1 п ВУ2. Диоды В0 обеспечивают неизменную полярность управляющих импульсов, вырабатываемых для каждого из тиристоров с частотой переменного напряжения. Изменение фазы управляющих импульсов по отношению к фазе напряжения на входе выпрямителя достигается изменением соотношения активного R и индуктивного L сопротивлений фазосмещателя. Это соотношение определяется величиной регулируемого сопротивления резистора R, которое можно изменять в известных пределах в процессе управления выпрямителем.