Полупроводниковые выпрямители служат для преобразования синусоидальных токов и напряжений. Они применяются в устройствах автоматики и обработки информации, в системах питания силового электрооборудования и т.д. Различают управляемые и неуправляемые выпрямительные устройства. В неуправляемых выпрямительных устройствах для преобразования синусоидального тока в постоянный применяются полупроводниковые диоды, а в управляемых выпрямительных устройствах - тиристоры.
Выпрямительные свойства диода определяются явлениями, возникающими на границе раздела полупроводников с различными типами электропроводности - дырочной (p) и электронной (n). Этот граничный слой называется p-n переходом. Его сопротивление зависит от величины и полярности приложенного к диоду напряжения. На рис. 4.1 приведено условное графическое изображение диода и его типовая ВАХ i(u). Диод имеет два вывода: А - анод, К - катод. При прямом включении диода в цепь, когда потенциал анода положительный, а катода отрицательный, через р-n переход возникает ток, обусловленный основными носителями заряда (прямой ток Iпр). Сопротивление p-n перехода в этом случае мало (равно нулю у идеального диода), падение напряжения Uпр на диоде также незначительно. Так как диод – это нелинейный элемент, обладающий активным сопротивлением, то недопустимо большой прямой ток Iпр может вызвать
интенсивный нагрев диода и его разрушение. При обратном включении диода, когда потенциал анода отрицательный, а катода положительный, сопротивление p-n перехода очень большое (равно бесконечности у идеального диода). Поэтому в цепи устанавливается незначительный обратный токIобр, обусловленный не основными носителями заряда. При обратном напряженииUобр, превышающем некоторую критическую для данного диода величину, p-n переход пробивается, и диод выходит из строя.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются: максимально допустимый прямой ток Iдоп и максимально допустимое обратное напряжениеUобр.max.
По типу конструкции p-n перехода различают точечные и плоскостные диоды. Из-за малой площади перехода точечные диоды относятся к маломощным и применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот. Допустимая мощность рассеяния таких диодов около 10мВт при значениях прямого тока 10 – 20 мА. Так как площади перехода у плоскостных диодов значительны (до 1000 мм в силовых выпрямительных диодах) они относятся к диодам большой мощности и выпускаются с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным). Допустимая мощность рассеяния плоскостных диодов достигает 10 кВт при значениях прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В. Они в основном используются в силовых преобразователях.
По числу фаз выпрямленного переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и многофазные. Однофазные, в свою очередь, подразделяются на схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления.
Схема рис.4.2. простейшего однополупериодного выпрямителя содержит источник синусоидальной ЭДС, на зажимах которого напряжение , полупроводниковый диод VD, нагрузочный резистор (в дальнейшем нагрузка) Rн и амперметр А.
Для упрощения расчетов будем считать диод идеальным, т.е. с сопротивлением, равным нулю в прямом направлении и бесконечно большим в обратном. ВАХ идеального диода изображена на рис.4.3. Такой диод представляет собой короткое замыкание для тока в прямом направлении и разрыв для тока в обратном.
В течение каждого положительного полупериода питающего напряжения U диод открыт и в нагрузочном резисторе Rн появляется ток iн в виде полуволн синусоиды (рис.4.4):
(4.1)
Действующее значение тока iн определяется по формуле
(4.2)
и может быть измерено амперметром электромагнитной или электродинамической систем.
Постоянные составляющие выпрямительных тока Iо и напряжения Uo (средние за период значения):
(4.3)
где U – действующее значение напряжения источника питания.
Измеряются I0 и U0 соответственно амперметром и вольтметром магнитоэлектрической системы.
Рис. 4.4
В течение каждого отрицательного полупериода питающего напряжения U диод закрыт, поэтому напряжение Uн и ток iн нагрузки Rн равны нулю (рис.4.4). Так как напряжение на нагрузке , то характер его изменения подобен току. Из рис.4.4 видно, что ток и напряжение на нагрузке Rн имеют пульсирующий характер.
Когда диод открыт, напряжение на нем равно нулю, т.е. . Закрывается диод отрицательной полуволной синусоиды (рис.4.4). Наибольшее обратное напряжение на диоде
Выбор диодов для схемы однополупериодного выпрямителя осуществляется по формулам
.
Основной недостаток такого выпрямителя – высокий уровень пульсаций выпрямленных тока и напряжения. Оценить уровень пульсаций можно по коэффициенту пульсаций КП
(4.4)
Используя формулы (4.2) и (4.3), можно рассчитать коэффициент пульсации, который для однополупериодного выпрямителя составляет K =1,21. Чем меньше коэффициент пульсации, тем более эффективен выпрямитель переменного тока.
Повысить эффективность выпрямителя возможно за счет использования однофазного двухполупериодного выпрямителя. Мостовая схема такого выпрямителя показана на рис.4.5. Выпрямитель содержит четыре диода VD1…VD4, установленные в плечи моста.
Диоды являются идеальными, их ВАХ изображена на рис.4.3. К одной диагонали моста подключен источник питания, на зажимах которого синусоидальное напряжение . В другую диагональ моста включена нагрузкаRн.
В этом выпрямителе используются обе полуволны входного синусоидального напряжения u. Когда идет положительная полуволна синусоидального напряжения, потенциал точки a выше потенциала точки b, диоды VD1 и VD2 противоположных плеч моста открыты и по нагрузке Rн протекает ток iн (рис.4.6). Два другие диода VD3 и VD4 в это время закрыты. Это график на рис.4.6.
Когда идет отрицательная полуволна входного синусоидального напряжения, потенциал точки b выше потенциала точки a, диоды VD3 и VD4 открыты, а VD1 и VD2 закрыты. Но ток в нагрузке Rн имеет тоже направление, что и при положительной полуволне входного синусоидального напряжения.
Напряжение Uн и ток iн нагрузки Rн (рис.4.6) имеют вид положительных полусинусоид и описываются как
Действующее значение тока определяется как .
Средние за период значения выпрямленных тока Iо и напряженияUо:
где - действующее значение напряжения источника питания.
Когда диоды закрыты, к ним приложена, как и в схеме однополупериодного выпрямителя, отрицательная полуволна синусоиды входного напряжения. Наибольшее обратное напряжение на каждом из закрытых диодов
Выбор диодов для мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя производится по формулам:
.
Коэффициент пульсации Kп, рассчитанный по формуле (4.4), равен 0,482.
Следовательно, двухполупериодный выпрямитель более эффективен: при одинаковых значениях входного напряжения и нагрузки и одинаковом использовании диодов средние значения выпрямленных тока и напряжения у него в два раза больше, а коэффициент пульсации значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя.
В рассмотренных выше однофазных выпрямителях ток и напряжение на нагрузке изменяются от максимального значения до нуля. С увеличением числа фаз источника питания выпрямителя кривые тока и напряжения на нагрузке получаются более сглаженными.
На рис.4.7 приведена схема трехфазного выпрямителяс тремя диодами, предложенная в 1904 году В.Ф.Миткевичем.
Диоды VD1…VD3 включены во вторичные обмотки трехфазного трансформатора. Нагрузка Rн включена между узловыми точками, образованными диодами и вторичными обмотками трансформатора. На рис.4.8 показаны положительные полуволны фазных напряжений Uа, Uв, Uс вторичной обмотки трансформатора. Рассматривая идеальные диоды, легко убедиться в том, что диоды работают поочередно: когда положительное напряжение Uв превыситUа, диод VD1 в фазе А окажется запертым и начнет работать диод VD2 в фазе В. Затем, когда положительное напряжение Uс превыситUв, диод VD2 в фазе В запрется, откроется диод VD3 в фазе С и т.д. Огибающая положительные полуволны фазных напряжений, показанная на рис.4.8 жирной линией, является кривой напряжения Uн на нагрузкеRн. Так как , то кривая тока на нагрузке будет подобна кривой напряженияUн.
C
B
A
Средние за период значения выпрямленных напряжения Uо и тока Iо (постоянные составляющие):
где U- действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Наибольшее обратное напряжение на каждом из закрытых диодов
Выбор диодов для трехфазного выпрямителя (рис.4.7.) производится по формулам
; .
Коэффициент пульсации может составить .
При выпрямлении переменного тока по любой из выше рассмотренных схем выпрямителей получаются пульсирующими напряжение и ток нагрузки. Для снижения пульсации могут быть использованы сглаживающие фильтры.
Для сглаживания пульсации напряжения на нагрузке Rн используется емкостной фильтр С (рис.4.9 а), который подключается параллельно нагрузке. Для сглаживания пульсации тока на нагрузке используется индуктивный фильтр L (рис.4.9,б), который подключается последовательно с нагрузкой. Смешанный индуктивно-емкостной фильтр L-C (рис.4.9 в) используется для одновременного сглаживания пульсации тока и напряжения.
Рассмотрим работу емкостного фильтра в мостовой схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя (рис.4.5.).
Сглаживающее действие емкостного фильтра объясняется тем, что через емкость проходит переменная составляющая тока, а через сопротивление нагрузки - постоянная составляющая. Процесс сглаживания основан на том, что емкость – накопитель электрической энергии. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение положительного полупериода достигнет напряжения на емкости (точка 1 на рис.4.10 а), диоды VD1 и VD2 открываются, через них проходит ток, и емкость заряжается. После того как напряжение на емкости достигнет амплитудного значения входного напряжения (точка 2 на рис.4.10 а), диоды VD1 и VD2 запрутся, ток через них проходить не будет, и емкость разряжается на сопротивление нагрузки. Напряжение на емкости будет постепенно спадать. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение отрицательного полупериода достигнет напряжения на емкости (точка на рис.4.10 а), диоды VD3 и VD4 открываются, через них проходит ток и емкость вновь заряжается и т.д. На рис.4.10 а жирной линией показана кривая напряжения на нагрузкеRн после сглаживания его емкостным фильтром UC = UН.
На рис.4.10 б изображены импульсы тока , которые проходят через открытые диоды в интервалах от до .
Iпр). Сопротивление p-n перехода в этом случае мало (равно нулю у идеального диода), падение напряжения Uпр на диоде также незначительно. Так как диод – это нелинейный элемент, обладающий активным сопротивлением, то недопустимо большой прямой ток Iпр может вызвать 
в силовых выпрямительных диодах) они относятся к диодам большой мощности и выпускаются с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным). Допустимая мощность рассеяния плоскостных диодов достигает 10 кВт при значениях прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В. Они в основном используются в силовых преобразователях.
, полупроводниковый диод VD, нагрузочный резистор (в дальнейшем нагрузка) Rн и амперметр А.
(4.1)
(4.2)
(4.3)
, то характер его изменения подобен току. Из рис.4.4 видно, что ток и напряжение на нагрузке Rн имеют пульсирующий характер.
. Закрывается диод отрицательной полуволной синусоиды (рис.4.4). Наибольшее обратное напряжение на диоде 
.
(4.4)
=1,21. Чем меньше коэффициент пульсации, тем более эффективен выпрямитель переменного тока.
. В другую диагональ моста включена нагрузкаRн.
на рис.4.6.
определяется как 
.
- действующее значение напряжения источника питания.
.
, то кривая тока на нагрузке будет подобна кривой напряженияUн.
; 
.
.
Сглаживающее действие емкостного фильтра объясняется тем, что через емкость проходит переменная составляющая тока, а через сопротивление нагрузки - постоянная составляющая. Процесс сглаживания основан на том, что емкость – накопитель электрической энергии. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение положительного полупериода достигнет напряжения на емкости 
(точка 1 на рис.4.10 а), диоды VD1 и VD2 открываются, через них проходит ток, и емкость заряжается. После того как напряжение на емкости достигнет амплитудного значения входного напряжения 
(точка 2 на рис.4.10 а), диоды VD1 и VD2 запрутся, ток через них проходить не будет, и емкость разряжается на сопротивление нагрузки. Напряжение на емкости будет постепенно спадать. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение отрицательного полупериода достигнет напряжения на емкости 
на рис.4.10 а), диоды VD3 и VD4 открываются, через них проходит ток и емкость вновь заряжается и т.д. На рис.4.10 а жирной линией показана кривая напряжения на нагрузкеRн после сглаживания его емкостным фильтром UC = UН.
, которые проходят через открытые диоды в интервалах от 
до 
.
