В случае необходимости гальванической развязки между корпусом диода и теплоотводом устанавливают слюдяные прокладки или прокладки из окиси бериллия. Последние хороши тем, что наряду с высокой теплопроводностью они обладают высокой электрической прочностью и великолепными изолирующими свойствами.

Задача пропускания больших номинальных токов, а также обеспечение высоких обратных напряжений в мощных выпрямительных диодах решается параллельной и последовательной комбинацией p-n-переходов в одном корпусе. При этом единая технология обеспечивает высокую идентичность переходов, что гарантирует исключение рассмотренных выше ситуаций, могущих вызвать выход из строя таких многопереходовых приборов.

Контрольные задания

1.Сравните основные технические характеристики существующих полупроводниковых диодов.

2.Прокомментируйте основные отличительные особенности диодов Шоттки.

3.Объясните каким образом обеспечивается уменьшение количества типоразмеров корпусов мощных диодов.

4.Объясните особенности монтажа диодов на теплоотводах.

5.Сглаживание (фильтрация) пульсирующих напряжений

Выпрямители преобразуют переменное напряжение, например,

синусоидальной формы в одно или двухполупериодное пульсирующее, рис. 25 а, б.

Для питания электронных схем необходимо постоянное напряжение, рис. 25 в.

39

Как следует из рис. 25 пульсирующее напряжение существенно разнится от постоянного (рис. 25 в). Эта разница определяется наличием в пульсирующем напряжении помимо среднего значения напряжения, напряжений гармонических составляющих. Очевидно, чем меньше уровень гармонических составляющих в пульсирующем напряжении, тем оно ближе к постоянному.

Принято близость пульсирующего напряжения к постоянному определять через коэффициент пульсаций Kп. Под коэффициентом пульсаций принято понимать процентное отношение результирующего действующего напряжения гармонических составляющих Uпд, содержащихся в пульсирующем напряжении, к среднему значению пульсирующего напряжения Uпср, то есть

Kп = Uпд 100[%].

Uср

Коэффициент пульсаций однополупериодного напряжения составляет Kп=121%, а двухполупериодного 48%. Для случая постоянного напряжения коэффициент пульсации Kп=0.

Преобразование пульсирующих напряжений – их сглаживание – осуществляется посредством специальных электрических цепей, называемых фильтрами. Простейшим типом фильтра является емкостной фильтр. Схема выпрямителя с емкостным фильтром представлена на рис. 26 а.

40

Форма напряжения, наблюдаемая на конденсаторе фильтра Сф, рис. 26 б, – сплошная линия – более близка к постоянному напряжению по сравнению с формами пульсирующих несглаженных напряжений. Коэффициент пульсаций, естественно, при этом уменьшается. Принцип действия ёмкостного фильтра очень прост. Его суть иллюстрируется рис. 27.

41

Здесь однополупериодный выпрямитель, рис. 27 а, преобразует переменное гармоническое напряжение, рис. 27 б, в однополупериодное пульсирующее – пунктир, рис. 27 в, – если нет конденсатора Cф. При наличии конденсатора картина существенно меняется. Если пренебречь постоянной времени заряда конденсатора фильтра, то в первую четверть периода

0 ≤ t ≤T 4 конденсатор оказывается подключенным параллельно

вторичной обмотке трансформатора – диод замыкает цепь. Тем самым, напряжение на конденсаторе повторяет напряжение на вторичной обмот-

ке. В момент времени t =T 4 оно достигает амплитудного значения, то

есть UC max =U2m . Начиная с момента t =T 4, то есть с момента, соответствующего точке А, диод запирается, – размыкает цепь заряда

42

конденсатора. Это происходит по причине изменения знака напряжения на диоде с прямого на обратный. В самом деле, начиная с этого момента, напряжение на аноде диода уменьшается в соответствии со спадающей ветвью синусоиды, а напряжение на его катоде изменяется гораздо медленнее – в соответствии с постоянной времени разряда конденсатора

τр = RнCф. Это значит, что напряжение на катоде становится более

положительным, нежели напряжение на аноде, знак напряжения на диоде становится обратным, и он размыкает цепь заряда.

Таким образом, начиная с момента, соответствующего точке А, имеет место только разряд конденсатора на сопротивление нагрузки и напряжение на его обкладках уменьшается по экспоненте. Разряд конденсатора длится до момента времени, соответствующего точке Б. В этот момент возрастающее напряжение на аноде диода сравнивается с уменьшающимся напряжением на его катоде, знак напряжения, прикладываемого к диоду, становиться прямым, и диод замыкает цепь заряда конденсатора фильтра. Этот процесс заряда длится до момента, соответствующего точке В. Когда он прекращается – вновь начинается разряд. Таким образом, напряжение на конденсаторе фильтра приобретает форму, соответствующую рис.27в, – жирная линия.

Следовательно, в установившемся режиме процессы в выпрямителе с конденсаторным фильтром определяются периодически чередующимися зарядами и разрядами конденсатора фильтра. При разряде нагрузка обтекается током, убывающим по экспоненте с постоянной времени

τр = RнCф, а при заряде конденсатора обмотка трансформатора и

выпрямитель обтекаются зарядным током. Величина и форма зарядного и разрядного тока существенно различны. В самом деле, если пренебречь падением напряжения на обмотках трансформатора и в выпрямителе, то

при U2	=U2m sin ωt ток заряда iз равен сумме токов: втекающего
в конденсатор ic и обтекающего нагрузку iн (рис. 27 а). Отсюда:
i =	u	+C		duC	=	U2m	sin ωt +C		ωU		cosωt
			ф dt					ф		2m
3	R					R
	н					н

.

Этот ток имеет гармоническую форму и может быть представлен в ви-

де

i3 = I3m sin(ωt +ϕ),

где

43

I	3m	=U	m	1	+ω2C2	, и ϕ = arctgωCR .
				R2	ф	н
				н

Интервал времени протекания зарядного тока t=t1-t2 соответствует углу отсечки ϕот = ω(t1 −t2 ). Форма зарядного тока для рассматри-

ваемого идеализированного случая представлена на рис. 27 в – заштриховано.

Ток заряда имеет форму импульсов малой длительности и большой величины Iпик. Очевидно, что с увеличением ёмкости конденсатора фильтра, при том же сопротивлении нагрузки Rн, пиковый ток увеличивается, а время его протекания t уменьшается. Это накладывает серьёзные ограничения на выбор Cф, ибо при том же среднем разрядном токе увеличение Cф ведёт к существенному увеличению Iпик, обтекающего трансформатор и выпрямитель. Увеличение Iпик, в свою очередь, означает увеличение действующего значения зарядного тока, что обуславливает увеличенный нагрев обмоток.

Дополнительно, как следует из рис. 27 в, пик зарядного тока наблюдается, приблизительно, в те интервалы времени, когда выпрямляемое напряжение достигает амплитудного значения. В реальных выпрямителях, с сопротивлениями первичной r1 и вторичной r2 обмоток, при коэффициенте трансформации равном n, можно приближённо считать, что амплитуда выпрямленного напряжения становится приблизительно равной, то есть

меньшей амплитуды U2m напряжения в соответствии с формулой:
Uвыпm =U2m − Iпик (r1n2 + r2 ).				(4)
Напряжение на нагрузке в разрядные интервалы		T < t < t		опреде-
		4	1
лится соотношением:
t−T	4
Uн =Uвыпme− RнCф .				(5)

В момент времени t=t1 напряжение на конденсаторе становиться минимальным, то есть:

t	−T	4
1
Uнmin =UС min =Uвып me− RнCф .			( 6 )

44

С учётом падения напряжения в выпрямителе Uв максимальное напряжение на конденсаторе

U	С max	=U	2m	− I	(r n2	+ r )−U	.	(7)
				п	1	2 в

Таким образом, напряжение на конденсаторе фильтра – на нагрузке – меняется в пределах UС max ÷UС min , т.е. пульсирует с размахом

Uпр =UC max −UC min , рис. 27 а. Поскольку пульсации напряжения симметричны относительно некоторого среднего положения UСср, то пульса-

ции определяются амплитудой Uпm =Uпр	2	и действующим напряжени-

ем пульсации Uпд. При этом коэффициент пульсаций Kï = Uпд 100% .

UC ср

Как следует из соотношений (4)-(7), напряжения UСmax, UСmin, UСср и Kп зависят от r1, r2, Cф и Rн.

Точное аналитическое определение среднего напряжения на нагрузке и коэффициента его пульсаций весьма затруднительно и вряд ли практически целесообразно из-за больших допусков на ёмкость конденсатора фильтра – у электролитических конденсаторов допуск составляет от –20% до +80% – и сильной изменчивости сопротивления нагрузки.

Целесообразнее пользоваться приближёнными методами расчёта выпрямителей с ёмкостными фильтрами. Одна из возможных схем расчёта может быть получена в соответствии с рис. 28.

45

В случае слабо нагруженных фильтров, т.е. фильтров с малой пульсацией, Kп < 10%, напряжение на конденсаторе фильтра можно считать меняющимся линейно в процессе его заряда и разряда – пунктирная линия на рис. 28. Очевидно, что амплитуда напряжения пульсаций на конденсаторе фильтра – на нагрузке составит

Unm =	Uпp	=	U		c max	−U	c min	.
	2					2

Поскольку форма напряжения пульсаций треугольная, то действующее значение напряжения пульсаций будет равна

Unä =	U	nm =	Uпp		=	U	c max	−U	c min .	(8)
			2	3				3
		3					2

В установившемся режиме, если среднее значение напряжения на конденсаторе фильтра Ucф остается неизменным, то заряд, получаемый конденсатором, Q3 должен быть равным потере заряда Qр в процессе его раз46

ряда. Тем самым Qз=Qр. Поскольку Qз = Iз срtз ,а Qр = Iр срtр, то размах напряжения на конденсаторе фильтра составит

Uпр = Qз = Qр = Iрср tр . Сф Cф Cф

Средний ток разряда конденсатора равен среднему току нагрузки Iн, следовательно

U пр	=	I н tр	.
		Cф

Как следует из рис.27, время разряда конденсатора фильтра равно t2. Отсюда:

U пр	=	I н t2	.
		C ф

В предельном случае tр = t2 = T/2. Тогда:

U

=

Iн T

=

Iн

2 C

2 f C .

пр

ф

ф

Амплитуда пульсаций напряжения питания

U =

Uпр

=

I

н

=250

I

[мА]

н

.

f Cф[мкФ]

nm

2

4 f Cф

Действующее значение напряжения пульсаций

Unд =Unm =

Iн

=145

3

4 3 f Cф

(9)

Iн[мА]

f Cф[мкФ].

(10)

Для удобства расчета в соотношениях (9)-(10) и последующих ток выражен в “мА”, емкость в “мкФ”, а сопротивление нагрузки в “к”:

U пд

= 145

Iн ср Rн

= 145

U н ср

.

f Cф

f Cф [мкФ

] Rн [к]

Отсюда коэффициент пульсаций

K п

=

U nд

=

145

.

f C ф

[мкФ ]

R

н [к ]

U н ср

Полученные соотношения позволяют связать Uc max и Uc ср:

47