Тема 2.3 Фотоэлектронные приборы

Законы фотоэффекта. Фотоэмиссия. Устройство, принцип действия, основные характеристики ламповых фотоэлементов. Внутренний фотоэффект. Фоторезисторы, их устройство, принцип действия. Фотопроводимость полупроводников. Фотодиоды. Применение фотоэлектронных приборов.

Методические указания

Фотоэлектронным называют прибор, в котором под действием электромагнитного излучения изменяется его электропроводность или появляется ЭДС. Принцип действия таких приборов основан на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.

Внешний фотоэффект- это явление выхода электронов с поверхности металла под действием светового излучения.

В полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, связанный с изменением электрической проводимости вещества при облучении за счет изменения числа свободных носителей заряда (электронов и дырок).

Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры относятся к полупроводниковым приемникам излучения. Их работа основана на использовании внутреннего фотоэффекта.

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием излучения. Фоторезисторы широко применяются как датчики освещенности в автоматике и измерительной технике.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-п переходом. Может работать в одном из двух режимов:

Ø Фотопреобразовательный, когда в цепь фотодиода включается внешний источник, смещающий р-п- переход диода в обратном направлении. В этом режиме под действием падающего на фотодиод света происходит возрастание его обратного тока за счет генерации дополнительных пар носителей заряда электрон-дырка.

Ø Генераторный режим, когда фотодиод включается на нагрузку без внешнего источника. ЭДС между выводами фотодиода создается за счет разделения возникающих носителей заряда внутренним полем р-п перехода. Фотодиод, работающий в генераторном режиме, называют фотоэлементом. Он преобразует световую энергию в электрическую. По такому же принципу работают солнечные батареи.

Фототранзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, ток которого зависит от излучения. Фототранзисторы могут быть биполярными и полевыми. Биполярный транзистор имеет базу, эмиттер и коллектор с соответствующими выводами. В отличие от обычных транзисторов в фототранзисторах предусмотрена возможность освещения базы.

Фототиристоры представляют собой четырехслойные полупроводниковые структуры, которые управляются световым потоком. Чем больше световой поток, тем при меньшем прямом напряжении включается тиристор.

Фототиристоры успешно применяют в системах автоматики и управления для включения электрических цепей по световому сигналу. Важное достоинство тиристоров – отсутствие электрической связи между цепью управления и включаемой цепью.

Вопросы для самоконтроля

1. Сформулируйте основные законы фотоэффекта.
2. В чем отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего?
3. Как устроен элемент с внешним фотоэффектом?
4. Объясните устройство фоторезистора.
5. На чем основан принцип действия фотодиода?
6. Назовите технические устройства, в кторых применяются фтооэлектронные приборы.

Литература: [1] §17.1-17.5

Тема 2.4 Выпрямители

Основные сведения о выпрямителях. Одно- и двухполупериодное выпрямление. Трехфазные выпрямители. Параметры выпрямителей. Сглаживающие фильтры. Параллельное и последовательное соединение диодов в схемах выпрямителей

Методические указания

Выпрямителями называют электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители относят ко вторичным источникам питания в отличие от генераторов, аккумуляторов, батарей, кторые называют первичными. Они широко применяются дл питание не только электронных устройств, но и двигателей постоянного тока, электрохимических установок и т.д.

Структурная схема выпрямителя:

Рис.8

На вход выпрямителя подается напряжение U₁ сети, на выходе получают постоянное напряжение U_н, необходимое для питания нагрузки. Трансформатор Т применяют для согласования напряжения сети с требуемым напряжением нагрузки и устранения электрической связи между цепью переменного и постоянного тока. Иногда выпрямитель может работать и без трансформатора. Группа вентилей В преобразует переменный ток в однонаправленный выпрямленный. Сглаживающий фильтр СФ применяют в том случае, если нужно улучшить форму выходного напряжения. Иногда нагрузка не допускает значительных изменений напряжения, и тогда применяют стабилизаторы напряжения СТ.

Для питания нагрузки малой мощности применяют однофазные выпрямители, которые питаются от однофазной сети переменного тока. Для питания нагрузок средней и большой мощности используют выпрямители, питающиеся от трехфазной сети.

По принципу регулирования выпрямленного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Рассмотрим принцип действия однофазного мостового выпрямителя.

Мостовая схема однофазного выпрямителя (рис. 9,а) состоит из четырех вентилей, являющихся плечами моста. К одной диагонали моста прикладывается переменная э.д.с. вторичной обмотки трансформатора е2, во вторую диагональ включена нагрузка R_н.

При положительной полуволне э.д.с. вторичной обмотки трансформатора е2 (интервал 0-π) ток i_2,3, вызванный действием этой э.д.с., будет проходить по цепи: точка а с положительным потенциалом – открытый вентиль В2 – нагрузка R_н – открытый вентиль В3 – точка b с отрицательным потенциалом. Вентили В1 и В4 при этом закрыты.

Через полпериода ( интервал π - 2π) потенциал точки а станет отрицательным, а потенциал точки b – положительным. Вентили В2 и В4 закроются и ток i_1,4 будет проходить от точки b через вентиль В4, нагрузку R_н и вентиль В1 к точке а. таким образом, ток i_d через нагрузку R_н в оба полупериода проходит в одном направлении. При этом положительным полюсом мостового выпрямителя является узел связи катодов вентилей В2, В4, а отрицательным – узел связи анодов вентилей В1, В3.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при идеальных вентилях и трансформаторе определяется из вражения:

U_d=

где Е₂ – действующее значение фазной ЭДС.

Среднее значение выпрямленного тока:

Среднее значение тока через каждый вентиль в два раза меньше тока нагрузки:

Обратное напряжение неработающего вентиля определяется фазным напряжением одной половин вторичной обмотки, поэтому максимальное значение обратного напряжения в мостовой схеме в два раза меньше по сравнению со схемой с вводом нулевой точки:

Во вторичной обмотке ток проходит дважды за период и при активной нагрузке имеет синусоидальную форму. Вынужденного намагничивания сердечника трансформатора нет. Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

б)

Рисунок 9

Расчет выпрямителей сводится к выбору схемы, трансформатора, вентилей, типа фильтра и параметров его элементов. За исходные величины принимаются напряжение U₁ и частота f₁ питающей сети переменного тока, напряжение U_н и мощность Р_н нагрузки. Для выбора трансформатора надо знать его расчетную мощность S_расч, вторичное напряжение U₂, первичный I₁ и вторичный I₂ токи.

Вентили при анализе схем выпрямления часто считают идеальными, т.е. их внутреннее сопротивление при прямом включении равно нулю, а при обратном включении – бесконечности. Тогда для выбора вентилей нужно знать средний ток через вентиль I_пр и максимальное обратное напряжение U_{обр m} на закрытом вентиле. Эти величины не должны превосходить допустимый ток вентиля I_прmax и обратное максимальное напряжение U_{обр max}.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой вентиль называют идеальным?
2. Начертите схему однополупериодного выпрямителя и поясните работу графиком выпрямленного напряжения.
3. Какие имеются соотношения между переменным и выпрямленным токами и напряжениями для различных схем выпрямления?
4. В каких случаях применяют трехфазные выпрямители?
5. Объясните назначение сглаживающих фильтров в схемах выпрямления.
6. Для чего в схемах выпрямителей диоды соединяют между собой последовательно или параллельно?

Литература: [1] §18.1-18.6