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).

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru 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 ЕД.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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru 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 ЕСТ (стороннее) направленное против внутреннего поля ЕДЭС.

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

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru Подключим к диоду внешний источник питания ЭДС (Е), как показано на рис. 2 в. Такое включение диода называется «обратным» и электрическое поле ЕСТ совпадает с внутренним полем ЕДЭС, что эквивалентно расширению запирающего слоя. Диод находится в непроводящем (запертом) состоянии и через него идёт незначительный ток - ток «утечки» (IУТ).

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 Uобр 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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru Выпрямитель состоит из:

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

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru -вентильной группы (ВГ), предназначенной для преобразования переменного напряжения в постоянный (-U2);

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

Под внешней характеристикой выпрямителя понимается зависимость напряжения на выходе (Uср) от тока (Iср) (рис. 5). На рис. 5 следует, выходное напряжение (Uср) равно: ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru

где Uср хх - напряжение холостого хода выпрямителя;

RT и RВ – 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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru Схема однотактного однофазного однополупериодного выпрямления (рис.6)

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

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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru На выходе схемы получаем пульсирующее однополупериодное постоянное напряжение.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru

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 RН.

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 RН, 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 RН, 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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru

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

Схема однотактного трёхфазного однополупериодного выпрямления (рис.10)

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru 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 RН.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru 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).

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru Рассмотрим устройство транзистра р-п-р проводимости.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru 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 ЕЭ в цепи эмиттера и источник со значительно большей ЭДС ЕК в цепи коллектора.

Для создания тока в цепи эмиттера достаточно небольшой ЭДС ЕЭ, 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 IK≈IЭ. 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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru 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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru

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.

ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru ДИОД (полупроводниковый вентиль) - - student2.ru На рис.17 показано устройство и схема включения тиристора.

Схема состоит из источника напряжения Е, сопротивления R, э.д.с. цепи управления Еу, резистора Rу 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 Iу≈0 и приложенное напряжения (U) меньше ≈1В, через тиристор проходит незначительный ток.

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

С увеличением тока управления (Iу>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.

Наши рекомендации