Полупроводниковый выпрямитель

Полупроводниковый выпрямитель — это электронное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока в постоянный (или пульсирующий) ток. Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод, обладающий односторонней проводимостью: он пропускает ток только в одном направлении. Выпрямители широко применяются в источниках вторичного электропитания, блоках питания радиоэлектронной аппаратуры, зарядных устройствах, системах управления электроприводами и в преобразовательной технике.

История

Первые выпрямители переменного тока появились в конце XIX — начале XX века. До широкого распространения полупроводниковых приборов использовались электромеханические (вибрационные) и вакуумные (кенотронные) выпрямители. В 1904 году Джон А. Флеминг изобрёл вакуумный диод (кенотрон), который стал основой для первых радиоприёмников. В 1930-х годах начали применяться селеновые и меднозакисные выпрямители, обладавшие большей надёжностью, но низкой эффективностью.

Прорыв произошёл в 1940-х годах с развитием германиевых и кремниевых полупроводников. В 1947 году был изобретён транзистор, а в 1950-х годах началось массовое производство кремниевых диодов. Кремниевые выпрямители быстро вытеснили селеновые и вакуумные благодаря меньшим габаритам, высокой надёжности, низкому прямому падению напряжения и способности работать при больших токах и обратных напряжениях. В 1960–1970-х годах появились мощные силовые диоды и тиристоры, что позволило создавать выпрямители для промышленных электроприводов и линий электропередач постоянного тока. В 1980–1990-х годах развитие импульсных источников питания привело к созданию высокочастотных выпрямителей на основе диодов Шоттки и синхронных выпрямителей на полевых транзисторах.

Классификация

Полупроводниковые выпрямители классифицируются по нескольким признакам.

По числу фаз питающей сети

• Однофазные выпрямители — подключаются к однофазной сети переменного тока (обычно 220 В, 50 Гц). Используются в бытовых приборах, маломощных блоках питания.
• Трёхфазные выпрямители — подключаются к трёхфазной сети (380 В, 50 Гц). Применяются в промышленных установках, электроприводах, сварочных аппаратах, системах электропитания большой мощности.

По схеме выпрямления

• Однополупериодные (однотактные) — используют один диод. Пропускают только одну полуволну переменного тока, создавая сильно пульсирующее напряжение. Эффективность низкая (коэффициент пульсаций около 1,57). Применяются редко, в основном в простых зарядных устройствах.
• Двухполупериодные (двухтактные) — используют два диода (в схеме с нулевой точкой) или четыре диода (в мостовой схеме). Пропускают обе полуволны, выпрямляя их в одну полярность. Коэффициент пульсаций около 0,67. Наиболее распространённый тип.
• Мостовые (схема Гретца) — наиболее популярная двухполупериодная схема. Состоит из четырёх диодов, соединённых в мост. Не требует трансформатора с отводом от средней точки, обеспечивает полное использование обмотки трансформатора.

По типу используемых полупроводниковых приборов

• Диодные выпрямители — на основе обычных кремниевых диодов или диодов Шоттки.
• Тиристорные выпрямители — на основе тиристоров (SCR). Позволяют регулировать выходное напряжение путём изменения угла отпирания тиристоров.
• Синхронные выпрямители — на основе полевых транзисторов (MOSFET) с низким сопротивлением канала. Используются в импульсных источниках питания для повышения КПД (до 95–98 %).

По способу управления

• Неуправляемые — диодные выпрямители, выходное напряжение не регулируется.
• Управляемые — на тиристорах или транзисторах, выходное напряжение можно изменять (например, фазовым регулированием).

Устройство и принцип работы

Основой полупроводникового выпрямителя является диод — прибор, состоящий из p-n-перехода. При прямом смещении (анод — плюс, катод — минус) диод открывается и пропускает ток. При обратном смещении — закрывается, ток практически отсутствует.

В простейшем однополупериодном выпрямителе диод включается последовательно с нагрузкой. При положительной полуволне напряжения на аноде диод открыт, ток протекает через нагрузку. При отрицательной полуволне диод закрыт, ток равен нулю. В результате на нагрузке образуется пульсирующее напряжение, состоящее из положительных полуволн.

В двухполупериодном мостовом выпрямителе четыре диода образуют мост. При положительной полуволне ток течёт через два диода (например, D1 и D2), при отрицательной — через два других (D3 и D4). В результате на нагрузке всегда присутствует напряжение одной полярности, а частота пульсаций вдвое выше частоты сети.

Для сглаживания пульсаций после выпрямителя устанавливают фильтр (обычно электролитический конденсатор большой ёмкости). В импульсных источниках питания дополнительно применяют дроссели и LC-фильтры.

Характеристики

Основные параметры полупроводникового выпрямителя:

• Максимальное обратное напряжение (Uобр.макс) — наибольшее напряжение, которое диод может выдержать в закрытом состоянии без пробоя.
• Максимальный прямой ток (Iпр.макс) — наибольший ток, который диод может пропускать в открытом состоянии без перегрева.
• Прямое падение напряжения (Uпр) — напряжение на диоде при протекании прямого тока. Для кремниевых диодов составляет 0,6–1,2 В, для диодов Шоттки — 0,2–0,5 В.
• Коэффициент пульсаций — отношение амплитуды переменной составляющей к постоянной составляющей выходного напряжения. Для двухполупериодного выпрямителя без фильтра — около 0,67, с фильтром — значительно ниже.
• КПД — отношение мощности на нагрузке к потребляемой мощности. Для диодных выпрямителей с фильтром составляет 80–90 %, для синхронных — до 98 %.

Применение

Полупроводниковые выпрямители используются в:

• Блоках питания — для преобразования сетевого переменного напряжения в постоянное для питания электронных устройств (компьютеры, телевизоры, зарядные устройства).
• Зарядных устройствах — для аккумуляторов (автомобильных, бытовых).
• Электроприводах — для питания двигателей постоянного тока, в системах регулируемого электропривода.
• Сварочных аппаратах — для получения постоянного сварочного тока.
• Системах электропередачи — на преобразовательных подстанциях линий электропередач постоянного тока (HVDC).
• Электрохимии — для электролиза, гальванических процессов.
• Медицинской технике — в аппаратах физиотерапии, дефибрилляторах.

Интересные факты

• Первый в мире полупроводниковый выпрямитель на основе селена был создан в 1933 году. Он имел КПД около 60 % и был громоздким.
• Мощные выпрямители на тиристорах используются в линиях электропередач постоянного тока (HVDC) для передачи электроэнергии на большие расстояния (например, линия «Экибастуз — Центр» в СССР).
• В современных импульсных блоках питания выпрямители работают на частотах 50–100 кГц, что позволяет уменьшить габариты трансформаторов и фильтров.
• Диоды Шоттки, используемые в высокочастотных выпрямителях, имеют прямое падение напряжения всего 0,2–0,4 В, что значительно повышает КПД.

Источники

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2005.
• Справочник по полупроводниковым приборам / Под ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• Техническая документация на диоды и выпрямители (Infineon, ON Semiconductor, STMicroelectronics).