Фотоэлектрические полупроводниковые приборы.

Существует целый ряд диодов, использующих самые различные явления и эффекты, имеющие место в р-n переходе. Так, варикап (емкость, управляемая напряжением) использует зависимость емкости обратносмещенного перехода от приложенного напряжения. Фотодиод основан на явлении генерации носителей заряда в область перехода и возникновении фотоэдс под действием света. Светодиод основан на свойстве электронно-дырочных пар испускать квант света при их рекомбинации и т.д.

Рис.1-28 Виды оптоэлектронных приборов

Рис.1-29 Фотодиод в режиме генерации фотоЭДС.

При освещении р-п перехода происходит разрыв ковалентных связей образовавшиеся неосновные носители {глава 1.5.1} втягиваются переходом В слоях возрастает количество основных носителей (в р-слое - дырок, в п-слое - электронов), что создает разность потенциалов между слоями, зависящую от освещенности перехода(рис 1-29).

Рис.1-30

Если в цепь фотодиода включить источник ЭДС в обратном направлении (рис1-30), то при освещении возрастает количество носителей и обратный ток возрастает пропорционально величине светового потока Ф.Возникающий ток почти не зависит от величины приложенного напряжения(рис 1-31).

Рис.1-31 ВАХ фотодиода Рис.1-32 Включение светодиода

Светодиод представляет собой излучающий р-п переход, свечение которого вызвано рекомбинацией носителей при смещении перехода в прямом направлении под действием приложенного напряжения (рис.1-32).

Фототранзистор -это обычный транзистор, в корпусе которого сделано окошечко, через которое световой поток попадает на базу При освещении базы фототранзистора образовавшиеся носители втягиваются переходами, увеличивается ток базы. Это вызывает значительно большее изменение тока коллектора, так как транзистор подключен к источнику ЭДС.

Оптрон - полупроводниковый прибор, в котором происходит передача сигналов от входной к выходной части электронного устройства с помощью фотонов, без использования гальванических, магнитных или иных связей.

Оптрон состоит из светодиода, оптическое излучение которого воздействует на светоприемник - фоторезистор, фототиристор или фототранзистор. Оба полупроводниковых элемента заключены в общий корпус. Выводы от светодиода являются входом, а выводы от свето-приемника - выходом оптрона. Величиной выходного сигнала оптрона управляют, изменяя величину входного сигнала.

Выпрямительные устройства.

Выпрямителем называют электронное устройство, обеспечи­вающее преобразование электроэнергии переменного тока в электроэнергию пульсирующего (однонаправленного) тока с той или иной степенью приближения к постоянному.

В общем случае выпрямитель может быть представлен в виде блок-схемы, представленной на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Блок-схема выпрями­теля:

/ — трансформатор; 2 — вентиль­ный блок; 3 — фильтр; 4 — нагруз­ка; 5 и 6 — блоки управления, за­щиты и сигнализации

 

Трансформатор 1 предназначен для согласования величин входного и выходного напряжений выпрямителя, а также галь­ванического разделения питающей сети и нагрузки. В некото­рых случаях на трансформатор возлагаются также функции ре­гулирования выходного напряжения за счет изменения его ко­эффициента трансформации. Вентильный блок 2 через фильтр 3 осуществляет выпрямление переменного тока в цепи нагрузки 4. Если вентильный комплект выпрямителя выполнен на управляемых вентилях, то в структуру выпрямителя входит блок 5, включающий в себя устройство управления вентилями, обеспечивающее подачу на вентили управляющих сигналов в соответствии с заданным алгоритмом регулирования режимов работы выпрямителя. Для обеспечения нормальной эксплуата­ции выпрямителя и защиты его от повреждений в аварийных режимах в его структуру входит еще блок 6 защиты и сигнализа­ции, а также встроенной диагностики.

В некоторых случаях отдельные элементы в выпрямителе мо­гут отсутствовать, например, бестрансформаторные выпрямите­ли или выпрямители без выходных фильтров (как правило, мно­гофазные).

^ Выпрямители могут быть классифицированы последующим основным признакам:

- по числу фаз источника питания различают однофазные и многофазные выпрямители;

- по возможности регулирования величины выходного напряже­ния - неуправляемые и управляемые выпрямители;

- по структуре вентильного комплекта — мостовые и со сред­ней точкой;

- по типу вентиля вентильного комплекта — диодные, транзи­сторные, тиристорные, комбинированнные (диодно-тиристорные).

Иногда выпрямители классифицируют по мощности и величи­не выходного напряжения, но эта классификация весьма условна. Обычно по мощности выделяют выпрямители малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой (свыше ста киловатт) мощности, а по напряжению — низкого (до 250 В), сред­него (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжения.

Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора структуры вентильного комплекта, типа применяемых приборов и методов расчета параметров и характеристик выпря­мителя и его элементов.

^ Характер нагрузки также может быть классификационным признаком, и в зависимости от этого различают выпрямители, работающие на активную, активно-индуктивную нагрузку и на­грузку, содержащую ЭДС.

При проектировании и разработке выпрямителей необходимо знать условия работы их элементов и определить их параметры.

Для точного определения характеристик и параметров вы­прямителя и его элементов проводят детальный анализ элек­тромагнитных процессов, происходящих в выпрямителе, вы­полнить который с учетом реальных параметров элементов вы­прямителя крайне сложно. В то же время при принятии неко­торых допущений, не искажающих физику происходящих про­цессов, но в определенной степени идеализирующих характе­ристики элементов выпрямителя, можно получить достаточно простые и наглядные расчетные соотношения, которые при необходимости можно уточнять, Такими уточнениями являют­ся: трансформатор без потерь, вентили — идеальные ключи, направление источника — синусоидальное.

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока на примере простейшего однофазного однополупериодного идеализированного выпрямителя с принципиальной схемой, изображенной на рис. 9.2, а и состоящей из трансформатора Тр, диода VD и нагрузочного резистора .

К первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение пита­ющей сети. Тогда в случае идеального трансформатора на его вторичной обмотке также будет синусоидальное напря­жение.

При полярности напряжения на вторичной обмотке транс­форматора, указанной на рис. 8.5, а (интервал времени от 0 до л на рис. 9.2, б), к диоду приложено напряжение вторичной об­мотки трансформатора в прямом направлении и он находится в проводящем состоянии, а падение напряжения на нем практи­чески равно нулю. При этом все напряжение вторичной обмот­ки трансформатора прикладывается к нагрузке и по ней, вто­ричной обмотке трансформатора, и диоду протекает ток .

Рис. 9.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель: а — схема; б — диаграмма тока и напряжения на элементах схемы

На интервале времени от до напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет противоположную полярность, диод VD находится в непроводящем состоянии и к нему в обрат­ном направлении прикладывается напряжение вторичной об­мотки трансформатора. При этом напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в ней, во вторичной обмотке трансформатора и в диоде отсутствует. Далее процессы в выпрямителе повторяются.

Таким образом, к нагрузочному резистору прикладывается напряжение только одной полярности (выпрямленное напряже­ние) и по нему будет протекать ток только одного направления.

Среднее значение выпрямленного напряжения за указанный период

( 9.1 )

где — действующее напряжение на вторичной обмотке транс­форматора; .

Поскольку при активной нагрузке ток в ней повторяет форму приложенного к нагрузке напряжения, то среднее значение вы­прямленного тока

( 9.2 )

В настоящее время наиболее распространенным способом из­менения величины выпрямленного напряжения является непо­средственное воздействие на ключевые элементы вентильного комплекта, которые в этом случае должны быть управляемыми (например, тиристоры). Тогда, изменяя момент включения ти­ристора на интервале его проводящего состояния (изменяя угол регулирования ), можно изменять величину выпрямленного на­пряжения. Часто такой способ, называемый фазовым регулирова­нием, сочетают с изменением коэффициента трансформатора (зонно-фазовое регулирование). В этом случае получают более высокие значения коэффициента мощности выпрямителя.

Однофазные выпрямители.

Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется - один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток

Рис.4.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Работа схемы однополупериодного выпрямителя

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π ) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус - к катоду (рис.4.2). Диод открывается и пропускает ток от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора. Во время отрицательной полуволны(в интервале π ÷ 2π ) к аноду диода приложен минус, а к катоду - плюс. К диоду в это время прикладывается обратное напряжение, и он закрыт. На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.4.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е₂ соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E_d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова direct - прямой): R_d - сопротивление нагрузки; u_d - мгновенное значение выпрямленного напряжения; i_d - мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

ЭДС обмотки трансформатора синусоидальна:

e₂ = √ 2·E₂·sinΘ,

где Θ = ω t, E₂ - действующее значение ЭДС;

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U_d = 0, 45E₂

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

I_d=U_d/R_d

Для данной схемы выпрямителя среднее значение анодного тока вентиля I_аср = I_d.

Максимальное значение анодного тока:

i_amax = √ 2·E₂/R_d=I_d·π.

Максимальноезначение обратного напряжения на вентиле:

U_обрmax = √ 2·E₂=I_d ·π.

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

Рассмотрим работу схемы однофазного однополупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.4.3).

Рис.4.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Источник: http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_2/picture/2_25.gif

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку R_d и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.4.3) e_2a и e_2b.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R_d и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду - плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод VD2, а диод VD1 - закрыт ( для этого случая знаки указаны в скобках). В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 4.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

E_d=2√ 2·E₂/π; U_d=2√ 2·E₂/π; I_d=U_d/R_d;

i_amax=√ 2·E₂/R_d; I_aср=I_d/2; U_обрmax=2√ 2·E2; Kп=0, 66

Наиболее распространённой является двухполупериодная мостовая схема (рис.4.4).

Рис.4.4. Однофазный мостовой выпрямитель.

Источник: http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_2/picture/2_26.gif

Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки R_d, диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку R_d, диод VD4. В случае чисто активной нагрузки, пренебрежением индуктивности обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет следующие основные соотношения:

 

U_d=0, 9·E₂; I_d=U_d/R_d; i_amax=√ 2·E₂/R_d;

I_aср=I_d/2; U_обрmax=√ 2·E2; Kп=0, 66

Сравненим схемы мостовую и со средней точкой. Для получения одинакового напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора. В этой же схеме к диодам прикладывается вдвое большее напряжение, чем в мостовой. Учитывая это, предпочтение отдаётся мостовой схеме, хотя здесь и требуется больше диодов. При выборе диодов для выпрямителя выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

Трехфазные выпрямители.

Рассмотрим трехфазные схемы выпрям­ления. Простейшая трехфазная схема выпрямле­ния тока с нейтральной точкой изображена на рис.4.8.

Рис.4.8. Трёхфазный выпрямитель с нейтральной точкой с диаграммой напряжений

Источник: http: //sesia5.ru/magzepi/ris1/image895.gif

В этой схеме первичные обмотки трехфазного трансформатора могут соединятся звездой или треуголь­ником, а вторичные - звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом слу­чае в каждый момент выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с за­жимом обмотки, имеющим наибольший положи­тельный потенциал по отношению к нейтральной точке трансформатора. Поэтому выпрямленное на­пряжение будет изменяться по кривой, являющей­ся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис.4.8). Переключение диодов происходит в моменты, соответствующие пересечению положи­тельных полусинусоид напряжения. В нагрузке R_н токи, походящие через три диода, суммируются.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме:

U_d = 1, 17U_ф

а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего через каждый диод,

I_д = I_d /3.

Обратное напряжение, действующее на каждый диод, равно амплитуде линейного напряжения, дей­ствующего в системе вторичных обмоток трансфор­матора, соединенных звездой, поскольку диоды под­ключены анодами к каждой из фаз, а катодами к другой фазе через открытый диод:

U _обр= √ 3·√ 2 U_ф = 2, 09·U_д.

Существенным недостатком этой схемы является то, что проходящие только через вторичные обмот­ки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный магнитный поток. Чтобы не допустить насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней и габариты трансформатора. Трехфазную схему выпрямителя с нейтральной точкой применяют толь­ко в маломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямления пе­ременного тока изображена на рис. 4.9. В ней со­четаются принципы мостовой схемы и схемы мно­гофазного выпрямления. В этой схеме нулевая точ­ка трансформатора для выпрямления не нужна и поэтому первичные и вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником.

Рис.4.9. Схема трёхфазного мостового выпрямителя (мост Ларионова).

Источник: http: //library.tuit.uz/lectures/epus/epus_2.files/image035.gif

Шесть диодов образуют две группы - нечетную VD1 , VD3 и VD5 и четную VD2, VD4 и VD6. У нечётной группы катоды соединены вместе и служат точ­кой вывода выпрямителя с положительным потен­циалом, а у четной группы - аноды соединены вме­сте и служат точкой вывода с отрицательным по­тенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вто­ричных обмоток трансформатора, благодаря чему пульсации выпрямленного напряжения значитель­но уменьшаются. В схеме на рис. 4.9 в каждый момент работает тот диод нечетной группы, у кото­рого анод в этот момент имеет наибольший положи­тельный потенциал, а вместе с ним тот диод четной группы, у которого катод имеет наибольший по аб­солютной величине отрицательный потенциал. Вып­рямленное напряжение будет изменяться по огиба­ющей с двойной частотой пульсаций (рис. 4.10, с).

Рис.4.10. Временная диаграмма напряжений трёхфазной мостовой схемы.

(а - с выхода трансформатора; в - после выпрямления положительных полупериодов;

с - выпрямленное напряжение)

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме U_d = 1, 35U_л = 2, 34U_{ф .}

Средний ток через диод I_д = I_d /3 , причем этот ток проходит через два последовательно включен­ных диода. Обратное напряжение, действующее на каждый диод, здесь также равно амплитудному зна­чению линейного напряжения:

U = √ 2U_л = √ 6·U_ф = 1, 045U_d.

В мощных выпрямителях в основном использу­ется мостовая трехфазная схема. Она получила широкое применение в управляемых выпрямите­лях, в которых, регулируя моменты открывания и закрывания диодов (тиристоров), можно в ши­роких пределах регулировать среднее значение выпрямленного тока.

Управляемые выпрямители.

Очень часто необходимо, чтобы выпрямитель не только преобразовывал переменное напряжение, но и был способен изменять его значение. Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называются управляемыми выпрямителями. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор (хотя можно влепитьи транзистор ).

 

Рис. 1 - Управляемый однополупериодный выпрямитель

Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течении всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α =ω t_з. t_з - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω =2π f).

 

Рис. 2 - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров

Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя:

 

<

Рис. 3 - Фазовращатель

Ниже на рисунке показана схема однофазного двуполупериодного управляемого выпрямителя импульсно-фазовым управлением.

 

Рис. 4 - Однофазный двуполупериодный управляемый выпрямитель (Zoom! )

Напряжение с выхода фазовращателя R1C1 поступает на вход усилителей-ограничителей (VT1, VT2). Диоды VD5, VD6 срезают положительные полуволны этого напряжения. Напряжение трапециидальной формы с выхода усилителей ограничителей поступает на дифференцирующие цепи R4C2, R5C3, а затем на управляющие входы тиристоров VS1, VS2. Диоды VD7, VD8 предотвращают попадание отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров. Усилители ограничители питаются от отдельного выпрямителя VD1-VD4.

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Выпрямительные (детекторные) приборы.
2. Глава 7. Полупроводниковые элементы.
3. Магнитоэлектрические измерительные приборы.
4. Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы.
5. Термометры сопротивления полупроводниковые.
6. Унитарные фотоэлектрические масочные ДОС.
7. Фотоэлектрические преобразователи
8. Электромагнитные измерительные приборы.