Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§1. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – это прибор с двухслойной P-N структурой и одним P-N переходом.
Слой Р - акцепторная примесь ( основные носители - дырки ). Слой N - донорная примесь (основные носители - электроны).
Обозначение на схемах:
Катод
V или VD - обозначение диода VS – обозначение диодной сборки
V7 Цифра после V, показывает номер диода в схеме Анод – это полупроводник P-типа Катод – это полупроводник N-типа
Анод
При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении («+» на анод, а « - » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка).
При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).
Uэл.проб. = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.
Uнас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.
Ia и Ua – анодный ток и напряжение.
Участок I:– рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)
Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)
Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.
Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)
Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.
Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает.
Тепловой пробой - необратим.
Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают.
Вольт-амперная характеристика идеального диода (вентиля)
Основные параметры полупроводниковых приборов
1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (IПР. СР.)
- это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.
Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя.
По прямому току диоды делятся на три группы:
Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)
Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)
2. Постоянное прямое напряжение (Uпр.)
Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока.
Проявляется особенно при малом напряжении питания.
Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)
Uпр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые) Uпр. Si ≈ 0.5÷1 В (Кремниевые)
Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д) Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)
3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (Uобр. max)
Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) Uобр. max ≈ 0.7UЭл. пробоя (10÷100 В)
Для мощных диодов Uобр. max= 1200 В.
Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -Uобр. max= 1200 В)
4. Максимальный обратный ток диода (Imax ..обр.)
Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).
Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.
5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.
§2 Стабилитроны
Стабилитрон – это разновидность диода. Применяется для ограничения электрических сигналов по току и напряжению.
Используются в стабилизаторах напряжения.
Обозначение на схемах:
Рабочим участком является участок электрического пробоя.
Uстаб. – напряжение стабилизации
Iстаб.min – минимальный ток стабилизации
Iстаб.max – максимальный ток стабилизации
Рабочий ток стабилитрона лежит в пределах от минимального до максимального тока стабилизации.
Степень наклона рабочего участка, характеризуется динамическим сопротивлением
Для идеального стабилитрона RД=0. Uстаб. =3 ÷ 200 В
§3 Тиристоры
Тиристор – полупроводниковый прибор с несколькими чередующимися слоями n-p проводимости, чаще четырехслойной структуры p-n-p-n. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).
Название тиристора - от греческого слова thyra (тира), что означает "дверь" или "вход".
Вольтамперная характеристика тиристора.
+
VS1
У - управляющий электрод
Выше приведено схемное обозначение управляемого тиристора (триодный тиристор, тринистор). На практике при употреблении термина "тиристор" подразумевается именно этот элемент.
При положительной полярности: - участок ОА – тиристор закрыт.
- называется напряжением включения. Как только напряжение достигает значения, оно лавинообразно снижается – участок АВ
Способ управления повышением напряжения до не рекомендуется (тиристор открывается только один раз)
Чем больший ток подан на управляющий электрод, тем «колено ОАВ» меньше.
Если , (I у4 = I упр опт - управляющий ток отпирания), то ВАХ тиристора совпадет с ВАХ диода.
Когда тиристор вышел на рабочий участок ВС, можно отключить ток управления. Чтобы закрыть тиристор необходимо снизить анодный ток до тока удержания на достаточное время (время удержания). При смене полярности тока тиристор закрывается.
Тиристоры бывают двух видов:
Изменяя угол α, можно регулировать среднее напряжение на нагрузке, чем больше α, тем меньше среднее напряжение на нагрузке.
Симметричные тиристоры или симисторы – это два тиристора включенных встречно - параллельно.
Слева дано обозначение неуправляемого тиристора (динистора). Он открывается при приложении между анодом и катодом напряжения больше
Параметры тиристоров
§4 Однофазные схемы выпрямления
Различают два способа (схемы) выпрямления:
Однополупериодная схема выпрямления
Достоинство однополупериодной схемы выпрямления: простота и дешевизна.
Недостатки однополупериодной схемы выпрямления: токи и напряжения прерывисты, следовательно, низкое среднее значение токов и напряжений. Кроме того, в схеме велик уровень напряжения пульсаций.
Двухполупериодная схема выпрямления
Рассмотрим однофазную двухполупериодную схему выпрямления с нулевой точкой (нулевая схема)
Рассмотрим интервал 0 < ωt < π : диод V1 – открыт; диод V2 – закрыт. Ud=e2 Udm=E2m=
Рассмотрим интервал π < ωt < 2π: диод V1 –закрыт; диод V2 – открыт.
Токи и напряжения имеют одинаковую полярность, но в каждый момент времени изменяют свою величину (ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер).
Напряжение включает в себя как постоянную, так и переменную составляющую.
Период питающего напряжения
Период выпрямленного напряжения
Наибольшую величину в кривой выпрямленного напряжения имеет 1-ая гармоника, частота которой в 2 раза выше частоты питающей сети. Эту
гармонику наиболее трудно подавить фильтрами,
поэтому по ее величине судят об искажении выпрямленного напряжения. На рисунке штриховой линией показана первая гармоника пульсации.
Пульсация выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсации.
Коэффициент пульсаций ;
, где m – кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте сети (число фаз выпрямления или пульсность выпрямителя).
Определим коэффициент пульсации для нашего рассмотренного случая
Чем меньше коэффициент пульсации, тем меньше уровень пульсации, а следовательно выше качество выпрямленного напряжения.
Основными параметрами для выбора диода являются:
- среднее значение тока протекающего через нагрузку.
Так как для тока одна полуволна отсутствует, а для тока нет получаем:
- полная мощность.
Мощность, выделяемая на нагрузке от постоянной составляющей выпрямленного напряжения:
Около 20% всей мощности в нагрузку передается переменной составляющей. Для уменьшения пульсации (устранения переменной составляющей) применяются фильтры.
Расчетная мощность трансформатора: (при активно - индуктивной нагрузке)
§5 Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления
При положительной полуволне ЭДС (интервал 0-) и указанной на рисунке полярности выпрямленный ток будет протекать через диод V1, нагрузку и диод V4. Диоды V2 и V3 находятся под обратным напряжением и тока не проводят (плюс приложен к катоду, а минус к аноду).
При изменении полярности переменного напряжения (интервал ) открываются V2 и V3 и ток сохраняет направление.
Если нагрузка активная (), то ток повторяет форму напряжения на нагрузке, а и имеют синусоидальную форму (штриховые кривые)
Если , она препятствует изменению тока и не будет успевать следовать за изменением и будет сглаживаться (сплошная линия ).
При значительной индуктивной нагрузке (> ) ток из-за малых пульсаций можно считать постоянным (идеально сглаженным).
Передача активной мощности в нагрузку переменной составляющей тока отсутствует. Токи ,, принимают форму прямоугольных импульсов.
При R-L нагрузке, как и при активной, форма повторяет , а его значение определяется как и для мостовой схемы с активной нагрузкой.
или
Пренебрежем потерями в , диодах и трансформаторе и положим (идеально сглажен)
Ток в диоде ; и
Достоинства схемы с нулевой точкой:
Недостатки схемы с нулевой точкой:
Применяется при малых напряжениях питания.
Достоинства мостовой схемы:
Недостатки мостовой схемы:
Мостовая схема применяется при E2=10÷100 В.
§6 Фильтры выпрямителей.
Назначение: Улучшение качества выпрямленного напряжения, путем ослабления переменной составляющей.
Коэффициент сглаживания: - характеризует (количественно) ослабление переменной составляющей. Чем больше коэффициент сглаживания, тем лучше.
Схема замещения для постоянной составляющей выпрямленного напряжения L и L-C фильтра:
r – активное сопротивление катушки индуктивности.
Схема замещения для переменной составляющей выпрямленного напряжения L и L-C фильтра:
ωn= 2ωсети
- последовательное сопротивление фильтра для переменной составляющей.
- сопротивление параллельных элементов фильтра для переменной составляющей.
Чем больше и меньше , тем меньше U нп1 и больше коэффициент сглаживания S.
Коэффициент сглаживания для L – фильтра:
Примем допущения: r << и<<
Чем меньше тем больше S
Индуктивный фильтр эффективен в «сильноточных» схемах, где
- мало
«Сильноточная» схема – это схема, где протекают большие (сильные) токи.
Коэффициент сглаживания для LС – фильтра:
Емкость шунтирует нагрузку по переменной составляющей.
Условие эффективного шунтирования переменной составляющей:
должно быть < 0.1
- Из чего следует, что LC-фильтры более эффективны.
Емкостной и R-C-фильтр
Емкостные и R-C фильтры используются при нагрузке потребляющей малые токи от выпрямителя ("слаботочная" нагрузка, т.е. нагрузка с малым ("слабым") током).
r - активное сопротивление диодов и обмоток трансформатора
Рассмотрим, что происходит в схеме в разные промежутки времени:
Амплитуда второго импульса будет меньше первого, т.к. на конденсаторе в момент t2 ud > 0
По мере увеличения напряжения ud время заряда конденсатора уменьшается, а время разряда увеличивается.
Через несколько периодов наступает положение, когда ud изменяется возле своего среднего установившегося значения.
т.к. ток i a - прерывистый, с паузами. Возникает необходимость введения дополнительного сопротивления r для токоограничения.
На нём происходит дополнительное падение напряжения и, следовательно, выходное напряжение уменьшается.
Чем больше , тем больше время разряда
При холостом ходе R н = ∞, U dxx = E 2m = √2•E 2
Можно отметить следующие отличия работы выпрямителей с ёмкостной нагрузкой по сравнению с активной нагрузкой:
Коэффициент сглаживания R-C фильтра
Схема замещения переменной составляющей:
Источник питания ближе к источнику ЭДС, так как его внутреннее сопротивление мало r и включены параллельно.
Значит
За счет падения напряжения на сопротивлении r снижается напряжение R-C фильтр эффективен при малых токах нагрузки.
§7 Параметрический стабилизатор напряжения.
Назначение: Поддерживает напряжение на нагрузке постоянным при изменяющемся входном напряжении и токе нагрузки в некотором диапазоне.
Типы стабилизаторов:
Чем (только на рабочем участке)
- на рабочем участке - участке электрического пробоя.
Стабилитрон забирает на себя часть тока нагрузки при увеличении входного напряжения .
= const
При и
Должно выполняться условие:
При
Должно выполняться условие:
Току соответствует и
Току соответствует и
лежит в пределах:
Коэффициент стабилизации
Коэффициент стабилизации своей величиной показывает, на сколько хорошо стабилизатор поддерживает выходное напряжение в заданных пределах.
Схема замещения для приращения напряжения:
- дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Поскольку << и <<
Значит
Тогда выражение для коэффициента стабилизации можно записать в следующем виде:
< 2040
Для увеличения К ст увеличивать Rб , но при этом будет уменьшаться Uвых , поэтому задача решается компромиссным путем.
Потому обычно соблюдается условие
Выходное сопротивление стабилизатора определяется по теореме об эквивалентном генераторе.
При этом : у идеального стабилизатора выходное сопротивление равно нулю, у реального оно составляет от нескольких единиц до десятков Ом.
Параметрический стабилизатор имеет довольно большое выходное сопротивление коэффициент стабилизации мал.
Биполярные транзисторы
Предназначены для усиления сигналов и управления током в схемах полупроводниковой электроники.
Представляют из себя трехслойную структуру с чередующимися слоями проводимости, имеют три вывода для подключения к внешней цепи.
Биполярные подчеркивают то, что у таких транзисторов используется оба типа носителей зарядов (электроны и дырки).
Существует два типа транзисторов:
Крайние слой называются коллектором и эмиттером, слой между ними – базой.
Э-Б – эмиттерный переход.
Б-К – коллекторный переход.
Особенности конструкции:
>> - для p-n-p перехода.
Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном.
Схемы с общим эмиттером (ОЭ):
Схема с общим эмиттером называется так потому, что входная и выходная цепь имеют общую точку на эмиттере.
Принцип действия транзистора
Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.
Токи через переход БЭ и КЭ отсутствуют (наличие запирающих слоев).
Пусть , ( и - закорочены). >>
Включим источники ЭДС и .
Потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшится, так как полярность приложенного к нему напряжения – прямая ток диффузии через эмиттерный переход увеличится.
На коллекторном переходе полярность обратная потенциальный барьер коллекторного перехода увеличится.
Почти все дырки подошли к коллекторному переходу дырки будут втягиваться в коллектор (так как напряженность электрического поля коллекторного перехода будет «втягивающей»).
, где - коэффициент передачи тока эмиттера. ()
Часть дырок рекомбинирует в базе нейтральность базы нарушается возникает ток электронов в
базу.
Основные соотношения между токами в транзисторе.
Дырки (не основные) из Б К.
- обратный (тепловой)
Электроны (не основные) из К Б.
Полный ток через коллектор:
(1)
(2)
Выражения (1) и (2) показывают, что токи в транзисторе связаны линейно.