ДИОД (полупроводниковый вентиль) -

ЭЛЕКТРОНИКА -

– это отрасль техники, использующая приборы, основанные на управлении явлениями тока в плохо проводящей среде.

В полупроводниковых приборах – это ток в твёрдой среде сложной структуры, обладающий большим удельным сопротивлением; в электронных приборах – это ток, создаваемый направленным движением электронов в высоком вакууме; в ионных приборах – ток в пространстве, заполненным разряженным газом или парами металла.

Наиболее широкое развитие получили полупроводниковые приборы, поэтому в данном разделе будут рассматриваться устройства и схемы на этой основе.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению занимают место между проводниками и диэлектриками, причём проводимость в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры.

В полупроводниках присутствуют подвижные носители заряда двух типов: отрицательные электроны и положительные «дырки».

Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введённой примеси преобладает либо электронная, либо дырочная.

При введении примеси 5-валентного элемента (фосфора Р, мышьяка Аs, сурьмы Sb), у полупроводника образуется лишний свободный электрон, поэтому полупроводник обладает электронной или n-проводимостью (negative), а введённые примеси называются донорными.

При введении примеси 3-валентного элемента (бора В, индия In, алюминия Al), остаётся незамещённый электрон, который забирается атомом примеси, образуя при этом «дырку», что в свою очередь уменьшает концентрацию электронов. Основным носителем зарядов являются «дырки» и он обладает р-проводимостью (positive). Вещества, отбирающие электроны, называют акцепторами.

Принцип действия полупроводникового прибора основан на граничных явлениях, возникающих на границах раздела двух сред с разной проводимостью (рис. 1).

При соприкосновении двух структур с различной проводимостью возникает диффузия зарядов п (электрона) в структуру р-проводимости, где есть недостаток электронов и дырок (р) в структуру с п-проводимостью.

На границе раздела р-п перехода возникает двойной электрический слой (Д.Э.С.), представляющий из себя конденсатор. Внутри конденсатора образуется электрическое поле напряжённостью Е_Д.Э.С.. Это поле препятствует перемещению свободных зарядов через границу раздела, то есть двойной электрический слой обладает запирающими свойствами.

Изменение состояния запирающего слоя, т.е. переход от состояния «заперто» к состоянию проводимости и управления этим процессом, составляет сущность работы полупроводниковых приборов.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) -

- это двухслойная структура (п- р)- или (р-п)-проводимостью и обладающей односторонней проводимостью.

Подключим к диоду внешний источник ЭДС (Е), как показано на рис.2,а. Такое включение диода называется «прямым», при этом источник ЭДС. обусловит электрическое поле Е_СТ (стороннее) направленное против внутреннего поля Е_ДЭС.

Если Е_СТ>Е_ДЭС, то через диод незначительный ток, если Е_СТ>>Е_ДЭС, то «запирающий» слой пробивается и через диод лавинообразно увеличивается ток. Диод находится в проводящем состоянии.

Подключим к диоду внешний источник питания ЭДС (Е), как показано на рис. 2 в. Такое включение диода называется «обратным» и электрическое поле Е_СТ совпадает с внутренним полем Е_ДЭС, что эквивалентно расширению запирающего слоя. Диод находится в непроводящем (запертом) состоянии и через него идёт незначительный ток - ток «утечки» (I_УТ).

Свойства диода односторонней (униполярной) проводимости в зависимости от полярности и величины приложенного напряжения используется для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный.

Под вольтамперной характеристикой понимается зависимость тока I диода от величины и полярности приложенного напряжения (рис. 3).

На в.а.х. (I=f(U)) различают две области:

-область (I) проводимости-«прямая) ветвь;

- область (I I) –запертого состояния-«обратная» ветвь,

где U_{обр max} – наибольшее обратное напряжение, при котором диод теряет свойства односторонней проводимости («тепловой» пробой диода).

ВЫПРЯМИТЕЛИ -

– это статические устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Выпрямитель состоит из:

-согласующего трансформатора (Т_р), предназначенного для согласования переменного напряжения сети (U_с) с выходным напряжением выпрямителя (U₁);

-вентильной группы (ВГ), предназначенной для преобразования переменного напряжения в постоянный (-U₂);

-фильтр (С_ф), предназначенного для повышения качества выпрямленного напряжения.

Под внешней характеристикой выпрямителя понимается зависимость напряжения на выходе (U_ср) от тока (I_ср) (рис. 5). На рис. 5 следует, выходное напряжение (U_ср) равно:

где U_{ср хх} - напряжение холостого хода выпрямителя;

R_T и R_В – сопротивления обмотки трансформатора и диода;

п – количество диодов в вентильной группе.

СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

При выпрямлении переменного тока в зависимости от числа фаз сети, питающей выпрямитель, и характера нагрузки, а также требований, предъявляемых к выпрямленному току и напряжению, диоды могут быть соединены по различным схемам.

При выпрямлении однофазного переменного тока используются как одно и двухполупериодные однотактные схемы, так и двухполупериодные двухтактные схемы.

Однотактными выпрямителями являются такие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в процессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухтактных выпрямителях – в обоих направлениях.

Аналогичным образом подразделяются схемы выпрямления трёхфазного тока.

Схема однотактного однофазного однополупериодного выпрямления (рис.6)

Схема состоит из согласующего трансформатора Т, полупроводникового диода VD и сопротивления нагрузки R_Н.

Работа схемы: При положительной полуволне (I) переменного напряжения (рис.7, а), когда к аноду приложен «плюс», а к катоду «минус», диод находится в открытом (проводящем) состоянии и пропускает полуволну (I) без искажений (рис. 7, б).

При отрицательной полуволне (I I), когда на аноде «минус», а на катоде «плюс», диод находится в непроводящем состоянии и срезает отрицательную полуволну (рис. 7, б), и этот процесс повторяется.

На выходе схемы получаем пульсирующее однополупериодное постоянное напряжение.

Схема обладает следующими недостатками:

- повышенные пульсации выпрямленного напряжения;

- неполное использование мощности трансформатора.

Используется в источниках питания, где не предъявляется повышенных требований к выходному напряжению.

Схема двухтактного однофазного двухполупериодного выпрямления (мостовая схема) (рис.8)

Схема состоит из согласующего трансформатора Т, четырёх диодов VD1÷VD4, включённых по мостовой схеме и сопротивления нагрузки R_Н.

Работа схемы: при положительной полуволне I (рис. 9, а), когда «плюс» (точка «а») и «минус» (точка «в»), положительное направление тока через диоды будет следующим:

- клемма «а», диод VD1, клемма «+», сопротивление нагрузки R_Н, клемма «-», диод VD3, клемма «в» (рис. 9,б).

При отрицательной полуволне II, когда на клемме «в» - (+), а на клемме «а» - (-), положительное направление тока через диоды будет следущим:

- клемма «в», диод VD2, клемма «+», сопротивление нагрузки R_Н, клемма «-», диод VD4, клемма «а» (рис. 9,б).

При этом происходит изменение фазы отрицательной полуволны I I и она превращается в положительную полуволну II^΄. Это происходит за счёт «мостового» включения диодов.

Схема обладает достаточно качественными выходными параметрами и широко используется для питания различных устройств.

Схема однотактного трёхфазного однополупериодного выпрямления (рис.10)

Схема состоит из согласующего трансформатора Т, вторичная обмотка которого соединена в «звезду» с выделенным «нулём», трёх вентилей VD1 ÷ VD3,включённых в каждую фазу и сопротивления нагрузки R_Н.

Работа схемы аналогична работе однофазной (рис. 6), т.е. каждый диод находится в проводящем состоянии только при положительной полуволне в данной фазе. А так как фазы три и угол между ними равен 120⁰, то выпрямленное напряжение будет складываться из положительных полуволн всех трёх фаз (рис. 11).

Схема находит широкое применение для питания электродвигателей постоянного тока и в гальванотехнике.

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

–это полупроводниковый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих р-п перехода, имеющий три и более выводов (рис.12).

Рассмотрим устройство транзистра р-п-р проводимости.

Он состоит из эмиттера, предназначенного для инжекции зарядов (дырок) и имеет наибольшие размеры. Средняя часть триода–база обладает п-проводимостью (электронной) и предназначена для регулирования потока (тока) инжектированных зарядов (дырок), база имеет незначительную толщину (рис.12, а).

Инжектированные эмиттером заряды через базу поступают в третий слой – коллектор, т.е. собирателя носителей зарядов, он изготовляется существенно большего размера по сравнению с эмиттером.

Между эмиттером и базой находится запирающий слой П1 (рис.12, б), включённый в прямом (проводящем) направлении, а между базой и коллектором – запрещающий слой П2, включённый в обратном направлении.

С помощью тока в цепи эмиттера в триоде осуществляется управление током в цепи коллектора. Обе цепи (рис.13)должны иметь соответствующие источники электроэнергии: источник с меньшей ЭДС Е_Э в цепи эмиттера и источник со значительно большей ЭДС Е_К в цепи коллектора.

Для создания тока в цепи эмиттера достаточно небольшой ЭДС Е_Э, так как эмиттерный переход (П1) включён в проводящем направлении, но появление тока в цепи эмиттера вызывает изменение коллекторного перехода, вследствие этого в цепи коллектора возникает ток I_K≈I_Э. Воздействие тока эмиттера на ток коллектора можно пояснить следующим образом. Ток эмиттера вводит в базу дырки, часть которых рекомбинирует с электронами базы, но основная часть достигает коллектора и вызывает коллекторный ток, поэтому малой мощностью эмиттера мы управляем большой мощностью коллектора, т.е. триод работает в режиме усилителя эмиттерного тока.

Транзисторы по сравнению с электронными лампами имеют следующие преимущества: большую механическую прочность и долговечность, постоянную готовность к работе, малые габариты и массу, низкое напряжение питания и высокий к.п.д.

К недостаткам транзисторов относится зависимость режима работы его от температуры окружающей среды, небольшая выходная мощность, чувствительность к перегрузкам, разброс параметров, вследствие которого отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются друг от друга по своим параметрам, большое различие между входными и выходными сопротивлениями.

В зависимости от общего электрода для входной и выходной цепей транзисторы можно включать тремя разными способами: по схеме с общим эмиттером ОЭ (получают наибольшее усиление), по схеме с общей базой ОБ (наибольшая стабильность в работе) и по схеме с общим коллектором ОК(обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением).

В схеме с ОБ (рис.14) используется очень редко. Эта схема имеет коэффициент усиления близкий к единице.

IК

Наиболее распространенной и универсальной по параметрам является схема с общим эмиттером.

В схеме с ОЭ (рис.15) имеет коэффициент усиления напряжения близкий к единице и очень большое сопротивление входной цепи. Выходная цепь обладает малым сопротивлением. Поэтому эта схема с общим коллектором используется для согласования сопротивления высокоомного преобразователя с низкомной нагрузкой.

Наибольшее распространение получила схема с ОК (рис.16)

Эту схему используют для согласования отдельных каскадов усиления, источника сигнала или нагрузки с усилителем.

ТИРИСТОР (управляемый вентиль) –

это четырёхслойная структура р-п-р-п-проводимости на слое р₂ есть управляющий электрод, служащий для управления процессом открытия тиристора, т.е. переход от запертого состояния в проводящее.

На рис.17 показано устройство и схема включения тиристора.

Схема состоит из источника напряжения Е, сопротивления R, э.д.с. цепи управления Е_у, резистора R_у и тиристора VS. В тиристоре запрещающие слои П1, П3 включены в прямом (проводящем) направлении, а слой П2 в обратном (непроводящем) направлении.

Рассмотрим работу тиристора (рис.18). Когда ток управления I_у≈0 и приложенное напряжения (U) меньше ≈1В, через тиристор проходит незначительный ток.

При достижении приложенного напряжения, равного напряжению отпирания (U_ОТП), запирающий слой П2 «пробивается» и тиристор переходит в проводящее состояние, ток через тиристор лавинообразно увеличивается .

С увеличением тока управления (I_у>0) сокращается время перехода тиристора от запертого состояния к открытому.

Тиристор самостоятельно не может выйти из проводящего состояния, т.е. «закрыться», поэтому существует следующие способы запирания тиристора:

- естественный, если тиристор включён в цепь переменного тока.

Запирается обратной (отрицательной) полуволной переменного напряжения, аналогично диоду;

- искусственный (принудительный), когда тиристор включён в цепь постоянного тока с помощью дополнительных устройств.

Тиристор обладает следующими достоинствами:

- простота устройства;

- преобразование больших мощностей;

- высокий к.п.д.;

- термической устойчивостью, т.е. пропускает токи короткого замыкания без собственного ущерба.