Методика выполнения работы

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или и р-п-переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких п-р-переходов. Рассмотрим более подробно физические процессы в таком переходе.

Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 13.1 а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Действие прямого напряжения и_пр, вызывающее прямой ток i_пр через переход, поясняется потенциальной диаграммой на рис. 13.1, б.

Электрическое поле, создаваемое в п-р-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами E_к и E_пр. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер.

а)

б)

Рис. 13.1 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на п-р-переход из n- и р-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении областей п- и р-, то напряжение на переходе можно считать равным u_к - и_пр. Для сравнения на рис. 13.1,б штриховой линией повторена потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения.

Как известно, в этом случае токи i_диф и i_пр равны и компенсируют друг друга. При прямом напряжении i_диф > i_др и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток уже не равен нулю:

i_пр = i_диф - i_др > 0

Если барьер значительно понижен, то i_диф >> i_др можно считать, что i_пр= i_диф прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда.

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным - к области р (рис. 13.2, а). Под действием такого обратного напряжения и_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток i_обр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 13.2, а это показывают одинаковые направления векторов E_к и E_обр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна u_к + u_обр (рис. 13.2, б). Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т. е. i_лиф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на n-р-переход из п- и р-областей. Выведение неосновных носителей через п-р-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей заряда (слово «экстракция» означает «выдергивание, извлечение»).

а)

б)

Рис. 13.2 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Таким образом, обратный ток i_oбp представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как количество основных носителей очень мало.

Выпрямительные устройства

Для питания электронной аппаратуры, электродвигателей постоянного тока, электролизных и других установок возникает необходимость в выпрямлении переменного тока в постоянный. Под выпрямлением понимается процесс преобразования переменного тока в постоянный с помощью устройств, обладающих односторонней проводимостью (электрических вентилей).

Выпрямительные устройства обычно состоят из трех основных элементов (рис. 13.3): трансформатора, электрического вентиля и сглаживающего фильтра. Трансформатор позволяет изменять значение переменного напряжения, получаемого от источника питания до значения требуемого выпрямленного напряжения. Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсации выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямительных устройств.

Рис. 13.3. Структура выпрямительного устройства

Выпрямление переменного тока осуществляется электрическим вентилем. Вентиль преобразует переменное напряжение в пульсирующее, что обеспечивается его свойством односторонней проводимости. При прямом напряжении вентиль имеет сопротивление, близкое к нулю, а при обратном напряжении его сопротивление становится очень большим.

Электрические вентили по своим вольтамперным характеристикам подразделяют на две группы. К первой относят вакуумные электронные и полупроводниковые диоды. Ко второй относят газоразрядные (ионные) приборы. Однако в настоящее время большинство выпрямителей выполняют на полупроводниковых диодах германиевых и кремниевых. Силовые полупроводниковые вентили по сравнению с другими имеют ряд преимуществ: более высокий КПД, постоянная готовность к работе, большой срок службы, малая масса и габариты, высокая надежность.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода
(рис. 13.4,б) отличается от идеальной характеристики вентиля
(рис. 13.4, а), так как при обратном напряжении диод проводит ток. Однако у хороших полупроводниковых диодов обратные токи весьма малы и несущественно влияют на работу выпрямителя.

а) б)

Рис. 13.4. Вольт-амперная характеристика: а - идеальная характеристика вентиля б - полупроводникового диода

При выпрямлении переменного тока в зависимости от числа фаз сети, питающей выпрямительное устройство, и характера нагрузки, а также требований, предъявляемых к выпрямленным току и напряжению, электрические вентили могут быть соединены по различным схемам.

Рис. 13.5. Схема однополупериодного выпрямителя

На рис. 13.5 представлена простейшая схема однополупериодного выпрямителя, в состав которой входят трансформатор Тр, вентиль Д и активная нагрузка R. Диаграммы напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя показаны на рис. 13.6.

13.6. Диаграмма напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя

Ток в цепи нагрузки, включенной последовательно с вентилем, проходит лишь в те моменты времени, когда к вентилю приложено прямое напряжение. Каждые полпериода напряжение вторичной обмотки трансформатора меняет свой знак. Поэтому в течение одной половины периода к вентилю прикладывается прямое напряжение, в течение следующего полупериода - обратное.

Через вентиль и нагрузку ток проходит только в одном (прямом) направлении, т. е. ток в нагрузке получается постоянным по направле­нию, но пульсирующим. Выпрямленное напряжение совпадает по форме с выпрямленным током. Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети.

Пульсирующие ток и напряжение содержат постоянные состав­ляющие. Среднее за период значение выпрямленного (пульси­рующего) напряжения, т. е. его постоянная составляющая, определяется величиной U₀=U_2m/π, где U_2т - амплитудное значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора, или U₀=2U₂/π, где U₂ – действующее значение напряжения.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к вентилю, равно амплитудному значению U_2т:

.

Качество выпрямителя характеризуется отношением постоянной составляющей выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения: U₀/U₂. Чем больше значение этого отношения, тем выше качество схемы выпрямителя. Для однополупериодного выпрямителя U₀/U₂ = 0,45.

Важным требованием к выпрямителю является снижение пере­менной составляющей выпрямленного напряжения при получении постоянной составляющей. Выполнение этого требования характеризуется коэффициентом пульсаций К_п, равным отношению амплитудного значения переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей: К_п=U_m/U₀.

Коэффициент пульсаций часто определяют по первой гармонике: К_п1=U_m1/U₀., где U_m1 амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя К_п1=1,57.

К выпрямителям предъявляется также требование, касающееся режима работы вентилей: обратное напряжение, прикладываемое к закрытым вентилям, не должно намного превышать выпрямленное напряжение. Выполнение этого требования характеризуется отношением максимального значения обратного напряжения к среднему значению выпрямленного: U_обр.m/U₀ Для однополупериодного выпрямителя: U_обр.m/U₀=π.

К недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напряжения, а также недостаточно высокое использование трансформатора, так как по его вторичной обмотке при этом протекает ток только в течение полупериода. Выпрямители подобного типа применяют главным образом в маломощных установках, когда выпрямленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглаживание пульсаций может быть обеспечено с помощью фильтра.

На практике часто используют различные схемы двухполупериодных выпрямителей.

а) б)

Рис. 13.7. Схемы двухполупериодного выпрямителя: а - с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора; б - мостовая схема

На рис. 13.7, а, б представлены схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора и мостовая схема. Наиболее распространена из них мостовая схема, в которой не требуется трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки, что позволяет получить двухполупериодное выпрямление переменного тока при полном использовании мощности трансформатора.

Четыре вентиля схемы образуют мост, к одной диагонали которого присоединяются концы вторичной обмотки трансформатора, а к другой нагрузка выпрямителя. Вентили в схеме работают поочередно попарно: при положительной полуволне напряжения U₂ которая соответствует прямому напряжению вентиля Д1, ток проходит через Д1, нагрузку и Д3, а при отрицательной полуволне напряжения U₂ соответствующей прямому напряжению вентиля Д2 ток проходит через Д2, нагрузку и Д4. На рис. 12.6 представлены диаграммы напряжений и тока в мостовой схеме. Частота пульсаций выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что увеличивает среднее значение вы­прямленного напряжения:

.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике К_п1= 0,667.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к закрытым вентилям, равно амплитудному значению напряжения U_2m , так как падение напряжения на открытых вентилях близко к нулю, т. е.

^.

Рис. 13.8. Диаграммы напряжений и тока в мостовой схеме

Простейшие схемы выпрямителей имеют большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Поэтому далее предусматривают сглаживающие фильтры.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения можно значительно снизить, если на выходе выпрямителя включить сглаживающий электрический фильтр. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно слаботочной нагрузке (рис. 13.9, а) и дроссель, включаемый последовательно с сильноточной нагрузкой (рис. 13.9, б).

Другие фильтры (комбинированные), представляющие собой сочетания емкостных и индуктивных элементов, позволяют получить достаточно малые значения коэффициента пульсации.

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра С (когда напряжение на выходе трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление
нагрузки R_H .

а) б)

Рис. 13.9. Схемы простейших сглаживающих фильтров

Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота. Емкостные фильтры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки - дросселя, включаемого последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает электродвижущая сила самоиндукции e_L=±L·di/dt, которая в силу закона электромагнитной индукции стремится сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а следовательно, и пульсации напряжения на ее зажимах. Индуктивные фильтры обычно применяют в схемах выпрямления с большими значениями выпрямленного тока, так как в этом случае увеличивается эффективность сглаживания.

Качество фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

К_сгл=К_пвх/К_п.вых,

где К_пвх и К_п.вых - коэффициенты пульсаций выпрямителя на входе и выходе фильтра.

Чем больше К_сгл тем эффективнее работает фильтр.

При работе выпрямителя часть выпрямленного напряжения падает на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора, на прямом сопротивлении открытого вентиля, на элементах сглаживающего фильтра. С увеличением выпрямленного тока I₀ подобные потери напряжения увеличиваются, а напряжение на нагрузке U₀ уменьшается. Зависимость U₀ = f (I₀) называют внешней характеристикой выпрямителя (рис. 13.10). Чем меньше изменяется напряжение на нагрузке U₀ при изменении тока I₀, тем выше качество выпрямителя.

13.10. Внешняя характеристика выпрямителя

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. По конспекту лекций изучите устройство и принцип действия выпрямителей на полупроводниковых диодах.

2. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой (рис. 13.11)для исследования различных выпрямительных схем, а также необходимыми для выполнения работы измерительными приборами и оборудованием. Запишите технические данные всех приборов, используемых в работе, в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Технические характеристики приборов

Наименование прибора	Система прибора	Класс точности	Пределы измерений	Цена деления

3. Подготовьте установку к проведению исследований (под руководством преподавателя):

а) подключите амперметр для измерения выпрямленного тока нагрузки;

б) подключите цифровой вольтметр для измерения выпрямлен­ного напряжения на нагрузке;

в) подключите осциллограф OMC-26 для наблюдения и регистрации формы выпрямленного напряжения на нагрузке;

г) подключите источник регулируемого переменного напряже­ния, с помощью которого установите напряжение на входе выпрямительного устройства В и при проведении опытов поддерживайте его неизменным.

Рис. 13.11. Схема лабораторной установки

4. Исследуйте выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме (рис. 13.12) при работе без сглаживающих фильтров. При этом выключателей и в цепях конденсаторов разомкнуты, выключатель в шунтирующей цепи дросселя и выключатель в цепи нагрузки - замкнуты, выключатель отжат, выключатель
- разомкнут.

Рис. 13.12 Однополупериодная схема выпрямления

При выполнении исследований начальный вертикальный размер осциллограммы должен быть равен 30 - 40 мм. Осциллограмма зарисовывается в принятом масштабе на миллиметровой бумаге, а показания всех измерительных приборов заносятся в табл. 13.2.

Таблица 13.2

Результаты исследований

Номер опыта	Схема выпрямления	Тип фильтра	Измерено	Вычислено
, В	, В	, В	, А		Uобр max , В

В табл. 13.2: U₁ - напряжение питающей сети, U₂ - половина действующего значения напряжения на вторичной обмотке согласующего трансформатора; U_H, I_H - измеренные выпрямленные значения напряжения и тока нагрузки; g - коэффициент пульсаций напряжения и тока нагрузки

5. Проведите исследования, аналогичные п. 4, снимая осциллограмму с экрана осциллографа и записывая показания всех измерительных приборов в табл. 13.2 при включении в схему выпрямителя:

- индуктивного (дроссельного) сглаживающего фильтра;

- емкостного сглаживающего фильтра (дроссель закорочен);

- индуктивно-емкостного (L - С типа) П-образного сглаживающего фильтра;

- индуктивно-емкостного (L-С типа) П-образного сглаживающего фильтра. Осциллограммы всех опытов должны быть зарисованы в принятом в п. 4 масштабе при неизменной частоте генератора развертки осциллографа.

6. Исследуйте двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом трансформатора (рис. 13.13). Для этого в схеме (рис. 13.11) выключатель B₂ необходимо замкнуть и провести те же измерения, что и при однополупериодном выпрямлении. Показания всех измерительных приборов занести в табл. 13.2.

Рис. 13.13. Двухполупериодная схема с нулевым выводом трансформатора

7. Исследуйте двухполупериодный выпрямитель с мостовой выпрямительной схемой (рис. 13.14). Для перехода от схемы, используемой в п.6, к мостовой необходимо нажать выключатель B₁. Кроме того, необходимо уменьшить вдвое напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Затем провести те же исследования, что и при выполнении опытов в п. 4, 5.

Рис. 13.14. Двухполупериодная мостовая схема выпрямления

8. Проведите обработку результатов опытов:

а) для одно- и двухполупериодных выпрямительных схем без сглаживающих фильтров рассчитать значение коэффициента пульсаций g, под которым понимается отношение амплитуды A_m наиболее выраженной гармонической составляющей напряжения или тока, к постоянной составляющей напряжения или тока, если

- гармонический ряд для кривых, получаемых в процессе однополупериодного выпрямления

;

- гармонический ряд для кривых, получаемых в процессе двухполупериодного выпрямления

;

б) для этих же схем по измеренному при помощи осциллографа амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке U_2m определить максимальное значение обратного напряжения на диодах U_{обр max}, которое в случае однополупериодного выпрямления равно U_2m, в случае двухлолупериодной схемы с нулевым выводом трансформатора 2U_2m, а в мостовой схеме U_2m /2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Каков принцип работы полупроводникового диода?

2. Поясните назначение выпрямительных устройств.

3. Укажите, какие требования предъявляются к диодам, используемым в выпрямителях.

4. Поясните принцип действия одно- и двухполупериодных схем выпрямления.

5. Назовите основные виды сглаживающих фильтров. В каких случаях целесообразно использовать индуктивные, а в каких - емкостные или их сочетания?

6. Поясните назначение согласующего трансформатора в выпрямительных схемах.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14