Электростанции вырабатывают переменный ток. Однако для большинства современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный применяют выпрямители, в которых используют приборы с вентильными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. Для построения схем выпрямления можно использовать электровакуумные, ионные магнитные и полупроводниковые приборы. В настоящее время наибольшее распространение получили. выпрямители на полупроводниковых приборах, поскольку полупроводниковые выпрямители просты, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы.

Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:

• по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);

• по виду выпрямительных элементов (вакуумные, полупроводниковые, магнитные и т. д.);

• неуправляемые и управляемые;

• по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);

• по виду нагрузки (она может быть активной, активно-ёмкостной, активно-индуктивной).

Для изготовления полупроводниковых приборов используют полупроводники. Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Для полупроводников характерно наличие двух типов проводимости: электронной, или п-проводимости, за счёт свободных электронов; дырочной, или р-проводимости, за счёт валентных электронов (дырок). Введение определённых примесей позволяет получать полупроводники п– или р-типа. Если полупроводник имеет две зоны с различными типами проводимости, то на их границе образуется п-р-переход, обладающий односторонней проводимостью электрического тока. При подключении положительного полюса источника тока к зоне с проводимостью р-типа, а отрицательного – к зоне с проводимостью п-типа дырки будут отталкиваться положительным потенциалом источника тока, а электроны – отрицательным. В результате этого они движутся навстречу друг другу, частично рекомбинируя в зоне перехода, а затем притягиваются к электродам источника питания, обеспечивая прохождение электрического тока через выпрямительный полупроводниковый диод, преобразующий переменный ток в постоянный.

а – ток через диод проходит; б – ток через диод не проходит.

Если же подключение выполнить иначе, то зона перехода обедняется носителями зарядов, а его сопротивление резко возрастает и ток через диод не проходит.

Для наглядности одностороннюю проводимость диода можно продемонстрировать с помощью установки, изображённой схематически.

Рис. 22. Схема установки для демонстрации односторонней проводимости диода.

В идеальном кристалле ток создаётся равным количеством электронов и дырок. Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещённости) собственная проводимость проводников увеличивается.

В полупроводниковых диодах следует различать сопротивление диода в прямом направлении R_Опр, которое относительно мало, и сопротивление диода в обратном направлении R_Ообр, которое относительно велико, но не равно бесконечности.

Для полупроводникового диода установились следующие понятия, характеризующие его свойства: прямой ток (I_пр) – это ток, протекающий через диод в прямом направлении; выпрямленный ток – это среднее значение выпрямленного тока или постоянная составляющая пульсирующего тока; обратный ток (I_обр) – это ток, протекающий через диод, когда к диоду приложено обратное напряжение. Выпрямительный диод представляет собой прибор с одним р-п переходом и двумя выводами. Вывод, к которому течёт ток из внешней электрической цепи при прямом включении диода (вывод из зоны типа р), называют анодным; вывод, от которого прямой ток направляется во внешнюю цепь (вывод из зоны типа п), именуют катодом.

Промышленностью выпускается большой ассортимент германиевых и кремниевых диодов. Кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, чем германиевые (+125 °C и выше); они имеют более высокое обратное напряжение и меньшие обратные токи. Недостатком их является несколько большее сопротивление при включении в прямом направлении, а следовательно, большие падения напряжения и потери мощности.

В зависимости от конструктивного исполнения р-п перехода различают два типа германиевых кремниевых диодов: плоскостной и точечный.

Рис. 23. Точечный (а) и плоскостной (б) полупроводниковые диоды.

В точечном диоде р-п переход образуется в точке касания пластины из полупроводника (рис. 23, а) с остриём тонкой металлической иглы, при этом прямое направление соответствует прохождению тока от металлической иглы к пластине.

У плоскостных диодов (рис. 23, б) выпрямляющими свойствами обладает поверхность раздела двух областей полупроводника с электронной и дырочной проводимостями. Плоскостные диоды имеют б`ольшую площадь р-п перехода, вследствие чего допускают большие токи и обратные напряжения. Они имеют так же меньшее падение напряжения в прямом направлении, точечные диоды.

Плоскостные и точечные диоды различают в зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и характеристической длины. Такой длиной для диода является наименьшая по значению из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.

Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.

1 – выводы, 2 – коваровые трубки, 3 – корпус, 4 – слоиндия, 5 – контактная пружина, 6 – р-п -переход, 7 – германий с проводимостью п .

Благодаря малой площади р-п перехода точечные диоды имеют незначительную ёмкость. Поэтому их применяют для выпрямления токов высокой частоты (главным образом в радиоаппаратуре и автоматике).

Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.

Выпускаемые промышленностью диоды классифицируются по назначению, мощности, частоте и другим свойствам. Диоды, рассчитанные на сравнительно небольшие токи (до 10 А), маркируют буквой Д и соответствующим номером. Полупроводниковые диоды, рассчитанные на б`ольшие токи (до 2 000А), часто называют силовыми вентилями (неуправляемыми) и маркируют буквой В (вентиль).

Эксплуатационные свойства выпрямительных диодов характеризуют их параметры, приводимые в справочной литературе.

Наиболее полное представление о работе полупроводниковых диодов при стационарном режиме даёт вольт-амперная характеристика, т. е. графическая зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения.

Номинальные значения токов и напряжений определяются ветвями вольт-амперной характеристики диода: U_пр – постоянное прямое напряжение диода при заданном постоянном токе I_пр; I_обр – постоянный обратный ток диода, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении U_пр.

С помощью выпрямителей получают пульсирующий ток, направление которого не меняется, а меняется величина. Для того, чтобы сгладить пульсации тока, последовательно с диодом включают дроссель (катушка с сердечником), а параллельно – конденсаторы большой ёмкости. Дроссель и конденсаторы представляют собой фильтр, который сглаживает пульсацию тока. На выходе выпрямителя получают постоянный ток по величине и направлению.

Для выпрямления переменного тока используют три вида выпрямителей: однополупериодный (рис. 28, а), двухполупериодный со средней точкой (рис. 28, б) и двухполупериодный по мостовой схеме (рис. 28, в).

Рис. 28. Схемы выпрямителей.

Выпрямитель совместно с трансформатором работает на различную нагрузку – активную, активно-индуктивную и активно-ёмкостную. Характер нагрузки определяет форму выпрямленного напряжения на ней и соотношение выпрямленных и переменных напряжений и токов. Мощность этих однофазных выпрямителей обычно небольшая – от десятков до нескольких сотен ватт.

Для выпрямления трёхфазного тока применяют нулевые и мостовые схемы.