4. Контрольные вопросы

4.1. Вольтамперные характеристики диодов.

4.2. Основные параметры выпрямительных диодов.

4.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона.

4.4. Основные параметры стабилитронов.

4.5. Светодиод и фотодиод, их характеристики.

4.6. Тиристор, его вольтамперные характеристики.

4.7. Биполярный транзистор, его структура и условное обозначение.

4.8. Режимы работы биполярного транзистора.

4.9. Движение носителей заряда в активном режиме биполярного транзистора.

4.10. Схемы включения биполярного транзистора.

4.11. Характеристики биполярного транзистора.

4.12. Принцип работы полевого транзистора с р-n-переходом.

4.13. Статические характеристики полевого транзистора.

4.14. Принцип работы МДП-транзисторов.

4.15. Статические характеристики МДП-транзисторов.

4.16. Электрические параметры полевых транзисторов.

4.17. Структура IGBT-транзистора.

4.18. Выходные харак­теристики IGBT-транзистора для схемы с общим эмиттером.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

1. Цель работы

Изучение принципа действия однофазных и трехфазных выпрямителей. Исследование характеристик однофазных диодных выпрямителей.

2. Теоретические сведения

Выпрямители широко применяются в источниках питания устройств электроники, автоматики и радиотехники. Постоянный ток используется для питания двигателей на транспорте и в промышленности. Передача электроэнергии в ряде случаев производится постоянным током высокого напряжения.

В неуправляемых выпрямителях обычно применяются полупроводниковые диоды, имеющие одностороннюю проводимость. При подаче на диод положительной полуволны напряжения через него протекает прямой ток I_пр, прямое напряжение U_пр для большинства диодов не превышает одного вольта. При подаче на диод отрицательной полуволны ток, протекающий через него, незначителен и составляет (10^-310^-4) I_{пр.макс}. При обратном напряжении, равном или превышающем U_обp.п., происходит пробой полупроводниковой структуры, и диод становится непригодным для дальнейшей эксплуатации.

2.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Рассмотрим работу однофазного однополупериодного выпрямителя, схема которого показана на рис. 2.1.

Примем допущения, что трансформатор Тр и диод VD идеальны. Нагрузка на выходе выпрямителя носит активный характер. При синусоидальном напряжении u₁ питающей сети напряжение u₂ на вторичной обмотке трансформатора тоже синусоидально (рис. 2.2):

u₂(t) = U_2m sin ωt. (2.1)

Через вторичную обмотку трансформатора, диод и нагрузку протекает общий ток: i₂ = i_д = i_н. В положительный полупериод напряжения u₂ через диод проходит ток нагрузки i_н, напряжение u_прд на диоде близко к нулю. При этом напряжение на нагрузке u_н соответствует напряжению u₂ (рис. 2.2).

В отрицательный полупериод напряжения u₂ через диод, а, следовательно, и через нагрузку ток не проходит. При этом все напряжение u₂ приложено к диоду VD в обратном направлении и равно U_обрmax, напряжение на нагрузке u_н равно нулю.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянная составляющая) определяется как:

U_н = (2.2)

где U_2m – амплитуда выходного напряжения трансформатора;

U₂ – действующее значение этого напряжения;

– коэффициент схемы выпрямления для однополупериодного выпрямителя.

При активной нагрузке среднее значение выпрямленного тока I_н = U_н /R_н = K_сU₂ /R_н = K_с I₂, где I₂ – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

q_k = U_н.осн.m / U_н, (2.3)

где U_н.осн.m – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения.

Для однофазного однополупериодного выпрямителя U_н.осн.m = U_2m / 2, U_н = U_2m / и q_k =  / 2 = 1,57.

При расчете выпрямителя определяют действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂ по среднему значению выпрямленного напряжения U_н:

(2.4)

График напряжения на диоде u_д(t) показан на рис. 2.2. Максимальное значение обратного напряжения диода равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора и связано с напряжением нагрузки соотношением:

U_{обр.макс} = U_2m = (2.5)

Средние значения тока вторичной обмотки трансформатора, диода и нагрузки равны:

I₂ = I_д = I_н = U_н /R_н· (2.6)

Недостатками однополупериодной схемы выпрямления являются подмагничивание трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока, а также большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

2.2. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя показана на рис. 2.3.

Временные диаграммы токов и напряжений элементов схемы выпрямителя приведены на рис. 2.4.

В этой схеме при подаче положительной полуволны напряжения u₂ ток проходит по цепи, содержащей диод VD3, сопротивление R_н, диод VD2. Мгновенное значение тока равно

i_д1 = i_н = i_д3 = u₂ / R_н. (2.7)

В отрицательный полупериод напряжения u₂ ток проходит через диод VD4, сопротивление R_н, диод VD1. Направление тока i_н будет таким же, как в предыдущем полупериоде.

В положительный полупериод закрыты диоды VD1 и VD4, в отрицательный полупериод – диоды VD3 и VD2. К закрытым диодам приложено обратное напряжение.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке

U_н = (2.8)

где – коэффициент схемы выпрямления для однофазного мостового выпрямителя.

При однофазном двухполупериодном выпрямлении U_н.осн.m = 4U_2m / 3, U_н = 2U_2m /. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения q_k = 2 / 3 = 0,67.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

(2.9)

Среднее значение тока через диод I_д = I_н / 2.

Максимальное значение обратного напряжения на диоде:

U_{обр.макс} = U_2m = (2.10)

Преимуществом двухполупериодной схемы выпрямления по сравнению с однополупериодной является увеличение среднего значения и уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, лучшее использование трансформатора из-за отсутствия подмагничивания сердечника выпрямленным током.