Простейший однополупериодный выпрямитель

Простейший однополупериодный выпрямитель (рис. 6.4) состоит из последовательно включенных источника напряжения, диода и активного сопротивления. Переменное синусоидальное напряжение U₂. подают на диод Д. За счет односторонней проводимости диодов ток i протекает только в положительные периоды напряжения U₂, и, следовательно имеет импульсную форму. Постоянная составляющая этого тока Io определяется средним значением тока i, протекающего через нагрузку R_H за полупериод.

Рис. 6.4. Схема однополупериодного выпрямителя (а) Кривые тока и напряжения (б)

При отрицательной полярности диод закрыт и ток не проходит. Среднее значение выпрямленного тока Io (постоянная составляющая пульсирующего тока) (рис. 6.4б)

Io = Im/p = 0,32 Im, a Uo = 0,32 U_2m среднее значение выпрямленного напряжения.

Важнейшим параметром, характеризующим работу выпрямителя является коэффициент пульсации, где к_п = Uoг.м/Uo, Uoг.м - амплитуда основной гармонической составляющей, Uо - среднее значение выпрямленного напряжения.

Для однополупериодной схемы выпрямления к_п = 1,57. Кп для данной схемы велик, что является главным недостатком схемы.

Тиристор

Тиристор - полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п переходами, используемый для переключения. Два крайних слоя p₁ и п₂ -эмиттеры: п₂ - катод; p₁ - анод. Два средних слоя (n₁ и р₂) -базы. Электрод, которому приложено напряжение управления, называется управляющим, (рис. 6.5а). Питающие напряжение подается на тиристор так, что переходы П₁ и П₃ будут открытыми, а П₂ - закрытый. Сопротивление П₁ и П₃ - мало, а П₂ - велико, поэтому почти все питающее напряжение оказывается приложенным к переходу П₂. Ток тиристора мал. При повышении Unp (при увеличении ЭДС источника питания Е) ток тиристора мало увеличивается.

Рис. 6.5. Структура тиристора (а).

Вольт- амперная характеристика тиристора (б)

При достижении Unp = Uвкл происходит лавинное увеличение носителей заряда в переходе П₂ за счет дырок и электронов, прибывших из слоев n₂ и p₁ в базы п₁ и р₂. Ток в тиристоре возрастает. Происходит пробой промежутка перехода П₂. После пробоя напряжение снижается до Unp = 0,5 ¸IB. При дальнейшем увеличении ЭДС Е, ток нарастает в соответствии с вертикальным участком характеристики. Напряжение Uвкл, при котором происходит лавинообразное нарастание тока, снижают за счет введения не основных носителей в слой р₂. С увеличением управляющего тока Iу увеличивается число добавочных носителей заряда, напряжения пробоя уменьшается (рис. 6.5 б).

Поэтому важным параметром тиристора является отпирающий ток управления Iу - ток управляющего электрода, обеспечивающий переключение тиристора в открытое состояние.

При изменении полярности напряжения Е на обратную переходы П₁ и П₃, смещены в обратном направлении, и вольт- амперная характеристика не отличается от обратной ветви характеристики диода. Тиристоры, как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли применение в управляемых выпрямителях.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру из чередующихся полупроводников р – и п - типа (рис. 6.6)

Рис. 6.6 Устройство, обозначение биполярных транзисторов р-п-р (а) и п-р-п (б) типов и полярности напряжения на коллекторе относительно эмиттера

Слои и присоединенные к ним выводы имеют названия: эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). В транзисторе создается два р-п- перехода (рис.6.6): база-эмиттер П_БЭ и база-коллектор П_БК. В режиме усиления к эмиттерному переходу П_БЭ. прикладывается прямое напряжение U_БЭ, а к коллекторному переходу П_БК - обратное напряжение U_KБ.

Рис. 6.7 Движение зарядов в транзисторе р-п-р- типа.

Рассмотрим принцип действия на примере р-п-р- транзистора (рис.6.7) Через открытий эмиттерный переход П_БЭ источником U_БЭ создается прямой ток Iу образуемый инжекцией (движением) как дырок 1¸5, так и электронов 6. Дырки 1¸5, пройдя открытый переход П_БЭ, попадают в область базы, где их дальнейшее движение осуществляется по двум направлениям. Первое направление образуют дырки типа 5, которые встречаются в базе с электронами 6 и, рекомбинируя с ними, образуют нейтральные атомы 7. Так как в рекомбинации участвуют электроны 6, поступающие на базу от источника U_БЭ, то за счет рекомбинации создается ток базы I_Б. Второе направление образуют не прорекомбинировавшие дырки 1¸4, которые достигают границы коллекторного перехода П_БK и, подхваченные ускоряющим полем Е_БК этого перехода, проходят в коллектор и образуют эмиттерную составляющую aI_Э тока коллектора I_K. Причем эта составляющая меньше тока эмиттера (a < 1) на величину тока базы 1_Б. Так как рекомбинация дырок в базе, осуществимая в результате встречи их с электронами базы маловероятна из-за малой толщины базы и малой концентрации электронов в ней, то подавляющая часть дырок достигает коллектора. Значит эмиттерная составляющая тока коллектора практически равна прямому току эмиттерного перехода. Кроме тока aI_Э через коллекторный переход течет обратный ток Iк.обp, вызванный в нем источником U_КБ, который включен к переходу в обратном направлении. Так как обратный ток на 3-5 порядка меньше прямого тока, то в режиме инжекции ток коллектора I_K практически равен aI_Э. А при отсутствии инжекции, когда I_Б = 0, ток коллектора I_K уменьшается в 10³ ¸ 10⁵ раз и становится равным току Iк.обp- Причем, так как указанное изменение тока коллектора I_K происходит при одном и том же напряжении на коллекторе U_KБ, то это эквивалентно изменению сопротивления коллекторного перехода в10³ ¸ 10⁵ раз.

Из приведенного описания видно, что назначение базы состоит в том что база вызывает из эмиттера на себя поток .зарядов, которые с приобретенной при этом скоростью проходят через базу, как через сито и достигают коллектора. Причем, так как ток базы I_Б мал. то, очевидно, и мощность источника U_БЭ, используемая для управления токами I_Б, I_Э и I_K, также мала. Таким образом, биполярный транзистор управляется током, подводимым к базе. Основными параметрами транзистора являются коэффициента передачи тока эмиттера a и базы b:

(6.1)

Коэффициент b называют коэффициентом усиления транзистора по току. Характерные значения напряжений U_БЭ и U_K для биполярных транзисторов составляют U_БЭ ≤ 0,3 ¸ 0,7 В и U_K = 3 ¸ 500 В.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор представляет собой двухслойную структуру (рис. 6.8), конструктивно выполненную в виде центрального полупроводника - канала - одной проводимости, окруженного полностью или частично полупроводником другой проводимости (затвора). Особенностью полевого транзистора является то, что концентрация примесей в затворе намного превышает концентрацию примесей в канале. Три вывода транзистора имеют названия: исток (И), сток (С) и затвор (З).

Принцип действия полевого транзистора основан на изменении площади поперечного сечения канала и, следовательно, сопротивления канала под действием поперечного электрического поля Е₃, создаваемого приложенным к затвору напряжением (рис.6.9). Рассмотрим физические процессы, приводящие к сужению канала под действием приложенных напряжений Е_ЗИ и Е_СИ. Если к транзистору приложено только напряжение Е_ЗИ (рис.6.9 а), которое для р-п- перехода затвор - канал является обратным, то под действием поперечного поля Е_З расширяется запирающий слой.

Рис. 6.8 Устройство и обозначение полевого транзистора с затвором в виде р-п- перехода с каналом п-типа (а) и р-типа (б) и полярности напряжения на затворе и стоке относительно истока

Так как концентрация примесей в канале меньше, чем в затворе, то расширение запирающего слоя происходит практически за счет канала, причем одинаково по всей длине канала. При некотором напряжении U_ЗИ, называемом напряжением отсечки U_OTC. канал полностью перекрывается.

Рис. 6.9 Изменение сечения канала p-типа при действии

напряжений U_ЗИ -.(a), U_СИ (б) и одновременно U_ЗИ и U_СИ (в); запирающий слой обозначен точками.

Таким образом, полевой транзистор - это прибор, в котором входным управляющим сигналом является напряжение затвора U_ЗИ, выходным сопротивление канала или ток стока I. Так как U_ЗИ является для р-п- перехода затвор-канал является обратным, то ток затвора ничтожно мал и на 5 ¸ 6 порядков меньше тока базы биполярного транзистора и составляет 0,01 ¸ 0,0001 мкА. Сопоставляя биполярный (БТ) и полевой (ПТ) транзисторы отметим два принципиальных отличия:

1) БТ управляется током (базы), а ПТ- напряжением (затвор);

2) при увеличении входного сигнала выходной сигнал ток у БТ возрастает, у ПТ уменьшается.