Исследование схем включения выпрямительных диодов и выпрямительных схем на них

Аннотация. В схеме представлено исследование схем включения диодов и схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с мостиковой схемой на диодах, выполненная вручную.

Ключевые слова: Диод, последовательное соединение, параллельное соединение, односторонняя проводимость.

Цель: Собрать схему однофазного двухполупериодного выпрямителя с мостиковой схемой на диодах, ознакомится с принципом работы, проанализировать характеристики; Собрать схемы последовательного и параллельного соединения диодов, провести анализ характеристик.

Задачи исследования: Изучить теоретические сведения о схемах включения диодов и двухполупериодного выпрямителя с мостиковой схемой.

Диод – полупроводниковое устройство, состоящее из p-n-перехода, разделяющего область с дырочной p-проводимостью от области с электронной n-проводимостью. Диод имеет одностороннюю проводимость.

Выпрямительный диод – основан на p-n-переходе между двумя разными по сопротивлению областями (рис. 1). Область с более высоким сопротивлением – база. Область с низким сопротивлением - эмиттер. Это лежит в основе принципа односторонней проводимости: ток проходит из области высокого сопротивления в область более низкого при прямом включении, и почти не проводит ток при обратном включении из-за большой разности сопротивлений.

Рисунок 1. Внутреннее строение диода

Основные характеристики диода:

• I_пр – прямой ток диода.
• I_пр max – прямой максимальный ток.
• U_обр max – максимальное обратное напряжение.
• I_обр – обратный ток.
• I_вп.ср – средний выпрямительный ток.
• P_max  - максимальная мощность диода.

Вольт-Амперная характеристика диода (рис. 2) представляет собой график, показывающий изменение тока относительно напряжения. На рисунке 1 мы видим, что график состоит из двух ветвей. При подаче и росте напряжения в прямом включении диода прямой ток I_пр растет постепенно до некоторого значения, после которого резко возрастает. При обратном включении диода в нем протекает малый обратный ток, это продолжается до тех пор, пока не происходит пробой, вызванный большим обратным напряжением.

Рисунок 2. Вольт-Амперная характеристика диода

Теперь разберем схемы включения выпрямительных диодов.

Последовательная схема включения:

Рисунок 3. Последовательное соединение диодов

Последовательное включение (рис. 3) позволяет увеличить обратное напряжение диодов.

Параллельная схема включения диодов:

Рисунок 4. Параллельное соединение диодов

При параллельном включении (рис.4) увеличивается прямой ток.

Рисунок 5. Параллельное и последовательное соединение диодов

Так как диоды имеют свойство проводить ток только в одну сторону, они часто применяются для выпрямления переменного тока, преобразованья его в постоянный. В электровозах переменного тока наиболее часто используются выпрямительные схемы на диодах. Рассмотрим самые распространенные схемы.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель с мостиковой системой (рис. 6) используются в выпрямительных установках электровозов.

Рисунок 6. Схема двухполупериодного выпрямителя с мостиковой схемой

Принцип работы этой схемы заключается в следующем:

В первый полупериод в цепи протекает ток i₁, проходящий через диоды VD₁ и VD₃, в это время диоды VD₂ и VD₄ «закрыты», т.к. в данный момент они включены обратно. На амперной характеристике мы можем наблюдать следующий график (рис. 7):

Рисунок 7. Работа выпрямительного диода

Далее начинается второй полупериод. Ток i₂ проходит через VD₂ и VD₄, и не протекает через VD₁ и VD₃ из-за их обратного включения в данный момент.

Если посмотреть амперную характеристику двух полупериодов, то увидим, что переменный ток преобразовался в постоянный пульсирующий (рис. 8).

Рисунок 8. Переменный ток преобразовался в постоянный пульсирующий

Для уменьшения пульсации в схему включается сглаживающий фильтр(конденсатор), уменьшая пульсацию тока до 98% (рис. 10).

Рисунок 9. Двухполупериодный выпрямитель с мостиковой схемой

Рисунок 10. Выходной ток

Заключение: В заключение проведенного исследования можно сделать вывод о разных свойствах и характеристиках диодов в различных схемах, что делает диоды применяемыми в большой сфере электроники.