Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Электропроводность — важнейшее свойство твердых тел — объясняется движением свободных электронов (утративших валентную связь с ядрами атомов). Такие электроны могут перемещаться между атомами и взаи­модействовать с другими электронами, ядрами и электри­ческими полями. По электропроводности все вещества условно разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники (металлы) имеют удельную элек­трическую проводимость σ=10⁷-10³ См/м, полупро­водники σ=10³- -10^-8 См/м и диэлектрики σ=10^-8-10^-15 См/м. Полупроводниковые материалы разделя­ют на собственные и примесные.

Собственными полупроводниками называются полу­проводники, не содержащие примесей, влияющих на их электропроводность.

	К ним относятся многие элементы четвертой группы таблицы Д. И. Менделеева. В кристаллах этих элементов каждые два соседних атома объединены орбиталями двух валентных электронов; такая связь называется парноэлектронной или ковалентной. Плоскостная модель строения кристалла кремния пока­зана на рис. 31.1.
Рис. 31.1. Плоскостная модель строения кристалла кремния

В узлах кристаллической решетки помещены атомы Si, состоящие из ядер и внутренних электронных оболочек. Валентные электроны (кружочки) — по четыре на каждый атом — образуют внешние орбитали так, что каждый из электронов принадлежит не одному, а сразу двум соседним атомам (орбиты условно обозначены стрелками).

В предельно чистом по составу полупроводнике при абсолютно нулевой температуре все валентные электроны прочно удерживаются на своих орбиталях, свободных электронов не имеется, электрическая проводимость равна нулю, полупроводник обладает свойствами идеального диэлектрика. С повышением температуры возрастает амплитуда колебаний атомов кристалла, при этом некоторые валентные электроны отрываются от своих атомов и становятся электронами проводимости. Они перемещаются относительно свободно в пространстве между узлами кристаллической решетки и способны создавать электрический ток. При обрыве ковалентной связи нарушается электрическая нейтральность двух соседних атомов, которые приобретают при этом элементарный положительный заряд. Вакантное место в этих атомах заполняет валентный электрон другой соседней пары; освободившееся место электрона второй пары атомов занимает электрон третьей пары и т. д. Подвижный положительный заряд, образующийся в кристалле при отрыве валентного электрона, условно назвали дыркой, а процесс образования пары зарядов электрон— дырка— генерацией подвижных зарядов. Генерация зарядов одновременно сопровождается их рекомбинацией — восстановлением разрушенных связей.

Примесные полупроводники, электропроводность которых определяется примесями, обладают резко выраженной электронной или дырочной электропроводностями. Эффект повышения электрической проводимости объясняется присутствием в кристалле полупроводника атомов элементов иной валентности.  Примеси с валентностью, большей четырех, дающие избыток свободных электронов, называются донорными; примеси с валентностью, меньшей четырех, увеличивающие количество дырок, называются акцепторными. Мышьяк образует четыре ковалентные связи с соседни­ми атомами кремния, а его пятый валентный электрон оказывается «лишним». Электрон отрывается и становится носителем отрицательного заряда, а атом мышьяка превращается в положительный неподвижный ион. Электропроводность полупроводника с донорной примесью назы­вается электронной или электропроводностью п-типа. Кроме мышьяка часто используются фосфор, сурьма и другие элементы.

 Для получения резко выраженной дырочной электропроводности (р-типа) в полупроводник вводится какой-либо из трехвалентных элементов бор, алюминий, инднй и др.

 

Электронно-дырочный переход

p-n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Электронно-дырочный переход является рабочим элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

P-n­ переход формируется при сплавлении полупроводников различных типов. При этом возникает так называемый запирающий (барьерный) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью E ₃ электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда.

 

Потенциальная энергия поля W₀=q _e(φ_e – φ_b)= q _eU_φ, где U_φ — контактная разность потенциалов; q_e = ­1,602*10^­-19 Кл — заряд электрона.

Если к p-n переходу приложить обратное напряжение , то создаваемая им напряженность E электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n области в p область и дырок из p­области в n область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n­области и электронов из p области), их экстракция, образует обратный ток I _o6p .

Если включить внешний источник энергии Е, как это показано на рис. в, то создаваемая им напряженность электрического поля будет противоположной направлению напряженности E₃ объёмного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными для n­области носителями заряда), которые и образуют прямой ток Inp . При напря­жении 0,3...0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток I _np определяется только сопро­тивлением полупроводника.

Встречной инжекцией электронов в p-­область можно пренебречь, так как число дырок в рассматриваемом примере, а следовательно, и основных носителей заряда больше в p­области, чем свободных электронов в n­-области, т. е. N_a >> N _d , где N_a и N _d— концентрации акцепторов и доноров в p­ и n-­областях.

Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером, а вторую, с меньшей концентрацией, — базой.

Диоды и их свойства .

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n­ переходом, имеющим два вывода: анод А и катод К

При включении p-n ­перехода под прямое напряжение Uпр сопротивление p-nперехода R_пр снижается, а ток I_np возрастает. При обратном напряжении U_обр обратный ток I_oбp неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока. При напряжении U > Uo6p. начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I_o6p , соответствующий электрическому пробою p-n­ перехода, переходящий в необратимый тепловой пробой (после точки б).

Из Вольт-Амперной характеритсики (ВАХ) диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимо­стью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводнико­вые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока.

Разновидности диодов.

В зависимости от назначения и свойств различают выпрямительные диоды, стабилит­роны, импульсные диоды, варикапы, диоды Шоттки, све­тодиоды, фотодиоды и т. п.

Выпрямительные диоды используют в схемах преобразования (выпрямления) пере­менного тока в постоянный ток. Как правило, это плоскостные диоды средней и боль­шой мощности. В высокочастотных и импульсных маломощных цепях электронных устройств используют точечные диоды: кремниевые типа КД или 2Д и германиевые типа ГД или 1Д, из арсенида галлия типа 3Д. Например, диоды ГД107А, КД203Д рас­сеивают мощность Р от 1 до 1,5 Вт, а диод КД512А — мощность P > 1,5 Вт.

К маломощным относят диоды с мощностью рассеивания до 0,3 Вт, к диодам средней мощности от 0,3 до 10 Вт, диоды большой мощности с мощностью рассеяния P >10Вт.

В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых для увеличения обратного напряжения последовательно соединены от 5 до 50 диодов с допустимым обратным напряжением от 2 до 40 кВ.

Стабилитроны или опорные кремниевые диоды предназначены для использова­ния в параметрических стабилизаторах напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной её ветви, соответствующий области обрат­ного электрического пробоя p-n­ перехода и ограниченный минимальным и максимальным значениями тока.

При работе в этой области обратное напряжение на стабилитроне U _ст незначительно изменяется при относительно больших изменениях тока стабилитрона I _ст. Поэтому при изменении входного напряжения U ±∆U= =±U_б+ U _ст изменяется в ос­новном напряжение ±U_б = R_бI на балластном резисторе R_б, напряжение U _н на нагрузке R _н почти не изменяется.     

При прямом включении стабилитрон может рассматриваться как обычный диод, однако в связи с повышенной концентрацией примесей напряжение Uпр≈ 0,3…0,4 В мало изменяется при значительных изменениях прямого тока Iпр. Прибор, в котором используется прямая ветвь в схемах стабилизации напряжения, называют стабистором. Основными параметрами стабилитрона являются:

- U em= 3...180 B — напряжение на стабилитроне;

-  — динамическое сопротивление на участке стаби­лизации;

-    — минимальный и максимальный токи стабилизации (от 5 мА до 5 А);

А также температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации, характеризующий относительное изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением температуры на 1 °С при по­стоянном токе, протекающем через стабилитрон.

Примеры маркировки стабилитронов:

КС168А (U ст= 6,8 B) ; Д814В (U ст = 9...10 B; I ст = 3...30 mA).

Варикапы — это полупроводниковые диоды, предназначен­ные для использования их ёмкости, управляемой обратным напряжением Uo6p

В общем случае диод обладает барьерной и диффузионной ёмкостями. Барьерная ёмкость проявляется при приложении к p-n­ переходу обратного изменяющегося во времени напряже­ния. При этом через p-n­переход протекает ток. Та доля тока (ток смещения), которая не связана с движением носителей заряда через
	Рис. 4.8

Основные параметры варикапа:

· С — ёмкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном на­пряжении (рис. 4.8). Для различных варикапов ёмкость может быть от несколь­ких единиц до нескольких сотен пикофарад;

· k_c= 5...20 — коэффициент перекрытия по ёмкости отношения ёмкостей вари­капа при двух значениях обратных напряжений;

·  — добротность варикапа (значение Q — от десятков до нескольких сотен) — это отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к активным сопротивлениям потерь R при заданных значениях ёмкости и обратного напряжения.

Пример маркировки: варикап типа КВ110А (С = 12 пФ; Uобр = 45 В).

Варикапы применяют в основном в устройствах высоких и сверхвысоких частот, например, для настройки колебательных контуров.

Диоды Шоттки — это полупроводниковые приборы, в которых используются свой­ства потенциального барьера (барьера Шоттки) на контакте металл — полупроводник.

В рассматриваемых диодах из­-за разной высоты потенциальных барьеров для элек­тронов и дырок нет инжекции неосновных носителей заряда, нет и таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Это даёт возможность использовать диоды Шоттки в качестве сверхскоростных импульсных диодов (f = 3.15 ГГц), на­пример, в некоторых схемах в качестве быстродействующих логарифмических элемен­тов и в мощных высокочастотных выпрямителях, в которых диоды способны рабо­тать на частотах до 1 МГц при U o6p= 50 B и Inp = 10A .

Светодиоды — это излучающие полупроводни­ковые приборы (индикаторы), предназначенные для непосредственного преобразо­вания электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

В полупроводниковых материалах с шириной запрещённой зоны менее 1,8 эВ может возбуждаться излучение с длиной волны более 0,7 мкм, которое ле­жит за пределами диапазона длин волн видимого света. Поэтому основными полупроводниковыми материалами, применяемыми для изготовления серийных светодиодов, являются фосфид галлия (GaP), твёрдые растворы (GaAsP, GaAlP) и карбид кремния (SiC) с шириной запрещённой зоны более 2 эВ.

Рис.4.9

Транзисторы.

Транзистор — это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, инвертирования, преобразования электрических сигналов, а также переключения электрических импульсов в электронных цепях различных устройств.

Различают биполярные транзисторы, в которых используются кристаллы n-и p-типа, и полевые (униполярные) транзисторы, изготовленные на кристалле герма­ния или кремния с одним типом проводимости.

Биполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы — это полупроводниковые приборы, выполненные на кри­сталлах со структурой p-n-p-типа (а) или n-p-n­типа (б) с тремя выводами, связан­ными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э) .

  База Б — это средний тонкий слой, служащий для смещения эмиттерного и кол­лекторного переходов. Толщина базы должна быть меньше длины свободного пробега носителей заряда.

Эмиттер Э — наружный слой, источник носителей заряда с высо­кой концентрацией носителей, значительно бoльшей, чем в базе.

  Второй наружный слой К, принимающий носителей заряда, называют коллектором. Ток в таком транзисторе определяется движением зарядов двух типов: электронов и дырок. Отсюда его название — биполярный транзистор. Физические процессы в транзисторах p-n-p-типа и n-p-n-типа одинаковы. Отли­чие их в том, что токи в базах транзисторов p-n-p-типа переносятся основными но­сителями зарядов — дырками, а в транзисторах n-p-n­типа — электронами. Каждый из переходов транзистора — эмиттерный (Б-Э) и коллекторный (Б-К) можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

· режим отсечки — оба p-n­ перехода закрыты, при этом через транзистор протекает сравнительно небольшой ток I₀ , обусловленный неосновными носителя­ми зарядов;

· режим насыщения — оба p-n­ перехода открыты;

· активный режим — один из p-n­переходов открыт, а другой закрыт.

В режимах отсечки и насыщения управление транзистором практически отсутству­ет. В активном режиме транзистор выполняет функцию активного элемента электри­ческих схем усиления сигналов, генерирования колебаний, переключения и т. п.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном обратное, то такое включение транзистора считают нормальным, при противоположной поляр­ности напряжений — инверсным.

Подав отрицательный потенциал ЭДС источника EK на коллектор и положитель­ный на эмиттер (рис. 1.14) в схеме включения транзистора с общим эмиттером, мы, тем самым, открыли эмиттерный переход Э­-Б и зак­рыли коллекторный Б-­К, при этом ток коллектора I K0=I э0=I 0 мал, он опреде- ляется концентрацией неосновных носителей
	Рис. 4.11

(электронов в данном случае) в коллекторе и базе.

Если между эмиттером и базой приложить неболь­шое напряжение (0,3…0,5 В) в прямом направлении p-n­перехода Э-­Б, то происходит инжекция дырок из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера I_Э . В базе дыр ки частично рекомбинируют со свободными электро­нами, но одновременно от внешнего источника напряжения E_Б ( E_Б < E_K) в базу приходят новые электроны, образуя ток базы I_Б .

Так как база в транзисторе выполняется в виде тонкого слоя, то только незначи­тельная часть дырок рекомбинирует с электронами базы, а основная их часть дости­гает коллекторного перехода. Эти дырки захватываются электрическим полем коллек­торного перехода, являющегося ускоряющим для дырок. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через резистор R_K и источник напряжения с ЭДС E_K , образуя ток коллектора I_K во внешней цепи. Такая схема включения транзистора называется схемой включения с общим эмиттером (ОЭ).

Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной вслед­ствие малого тока базы во входной цепи и усиления входного сигнала как по напря­жению, так и по току.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряже­ний в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга.

Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сигнале, боль­шом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.

Биполярный транзистор можно также включить по схеме с общей базой (ОБ) и по схеме с общим коллектором (ОК), используя в качестве общего вывода для входной и выходной цепей соответственно базу или коллектор

 

Коэффициенты усиления транзисторов зависят от частоты входного сигнала (ска­зывается влияние входной (Б-Э) и проходной (Б-К) ёмкостей).

Биполярные транзисторы классифицируют:

·  по мощности рассеяния (маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 Вт до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт));

·   по частотным свойствам (низкочастотные (до 3 МГц), средней частоты

(3.30 МГц), высокой (30.300 МГц) и сверхвысокой частоты (более 300 МГц));

* по назначению: универсальные, усилительные, генераторные, переключа­тельные и импульсные.

При маркировке биполярных транзисторов вначале записывают букву или цифру, указывающую на исходный полупроводниковый материал: Г или 1 — германиевый, К или 2 — кремниевый; затем цифру от 1 до 9 (1, 2 или 3 — низкочастотные, 4, 5 или 6 — высокой частоты, 7, 8 или 9 — сверхвысокой частоты соответственно в каждой группе малой, средней или большой мощности). Следующие две цифры от 01 до 99 — порядковый номер разработки, а в конце буква (от А и выше) указывает на парамет­рическую группу прибора, например, на напряжение питания транзистора и т. п.

Например, транзистор ГТ109Г: низкочастотный германиевый, малой мощности с ко­эффициентом передачи тока h_21Э = 100.250, U_К = 6 В, I_К = 20 мА (ток постоянный). Параметры кремниевого средней мощности транзистора типа КТ814А: h21Э = 40, IК = = 1,5 А, UК = 25 В, UБ.max = 5 В, мощность рассеяния P = 1 Вт, а кремниевого мощно­го СВЧ транзистора типа КТ908А: h21Э = 8.60, IК = 10 мА, UК = 100 В, мощность рассеяния P = 150 Вт.

Полевые транзисторы.

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток стока (С) че­рез полупроводниковый канал п­ или р ­типа управляется электрическим полем, воз­никающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И). Поле­вые транзисторы изготавливают:

с управляющим затвором типа p-n-перехода для использования в высокочастот­ных (до 12.18 ГГц) преобразовательных устройствах. Условное их обозначе­ние на схемах приведено на рис. а, б;

с изолированным (слоем диэлектрика) затвором для использования в ус­тройствах, работающих с частотой до 1.2 ГГц. Их изготавливают или со встроенным каналом в виде МДП­структуры (см. их условное обозначение на рис. в и г), или с индуцированным каналом в виде МОП­структуры (см. их условное обозначение на рис. д, е).

 

При подключении выходов стока С и истока И к источнику питания Un по каналу n­типа протекает ток I_C, так как p-n­ переход не перекрывает сечение канала (рис. а). При этом электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком, а электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком.

Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором. С увеличением обратного напряжения -U_З уменьшается сечение канала, его сопротивление увеличивается, и уменьшается ток стока I_C.

Итак, управление током стока I_C происходит при подаче обратного напряжения на p-n­переход затвора З. В связи с малостью обратных токов в цепи затвор-исток, мощ­ность, необходимая для управления током стока, оказывается ничтожно малой.

а)	б)	в)

При напряжении -U_З = -U_ЗО, называемым напряжением отсечки, сечение канала полностью перекрывается обеднённым носителями заряда барьерным слоем, и ток стока I_CО (ток отсечки) определяется неосновными носителями заряда p-n­перехода

Схематичная структура полевого транзистора с индуцированным n-каналом пред­ставлена ниже. При напряжении на затворе относительно истока, равным нулю, и при наличии напряжения на стоке, ток стока оказывается ничтожно малым. Заметный ток стока появляется только при подаче на затвор напряжения положительной поляр­ности относительно истока, больше так называемого порогового напряжения UЗ.пор.

При этом в результате проникновения электрического поля через диэлектричес­кий слой в полупроводник при напряжениях на затворе, больших UЗ.пор, у поверхно­сти полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала из­меняются с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться ток стока. Так происходит управление тока стока в полевом транзисторе с индуцирован­ным затвором.

Важнейшей особенностью полевых транзисторов является высокое входное со­противление (порядка нескольких мегаом) и малый входной ток. Одним из основ­ных параметров полевых транзисторов является крутизна S стокозатворной ха­рактеристики, например, для полевого транзистора типа КП103Ж S = ∆IC / ∆U3 = (3...5) MA/B.

Тиристоры.

Тиристор — электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя и более p-n­переходами, обладающий способностью принудительного переключения из одного устойчивого состояния (отсечки) в другое (насыщения).

Тиристоры подразделяются на диодные (динисторы), имеющие два вывода (анод А и катод К), и триодные (тринисторы), имеющие три вывода (анод А, катод К и управ­ляющий электрод У.

 При отсутствии напряжения U_y на управляющем электроде и при приложении напряжения U_a к аноду оба эмиттерных перехода ЭП открыты, а кол­лекторный переход КП закрыт, и почти всё анодное напряжение U_a приложено к пе­реходу КП.

При увеличении напряжения Ua до значения напряжения отпирания Uот ток анода мал, а сопротивление прибора велико.

При напряжении анода Ua = Uот происходит лавинообразный пробой КП­перехо­да, сопротивление динистора уменьшается, и ток анода практически ограничивается сопротивлением резистора Rн, т. е. I_a ≈ U_a/R_н. Как видно, динистор имеет два устойчивых состояния: участки оа и гд, наличие которых позволяет использовать прибор в качестве мощного переключающего элемента в различных схемах автома­тики. Наличие же участка бв с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать прибор в различных схемах генераторов и модуляторов.

Недостатком динистора является большая зависимость напряжения включения U_от и тока удержания I_уд от температуры. При её увеличении эти параметры уменьшают­ся, обеспечивая температурную нестабильность.

Чтобы выключить динистор, нужно уменьшить анодное напряжение U_a до значе­ния, при котором ток анода станет меньше тока удержания, т. е. Iа < Iуд. На практике уменьшают напряжение Ua до нуля или прикладывают к аноду напряжение отрица­тельной полярности.

Как отмечалось, тринистор снабжен третьим управляющим электродом У, присо­единенным к среднему p­слою кристалла. При подаче на него напряжения +Uy про­исходит смещение коллекторного перехода КП, появляется ток Iy, причем с его уве­личением уменьшается напряжение отпирания Uот тиристора. При I_y ≥ I_y2 вольт­амперная характеристика тиристора спрямляется.

После открытия тиристора ток I_y управляющего электрода перестает оказывать какое­либо влияние на работу тиристора. При подаче на анод синусоидального напряжения тиристор закрывается во время отрицательной полуволны напряжения.

Тиристоры изготавливают на различные коммутируемые токи Ia (вплоть до тысяч ампер) и напряжения Ua (тысячи вольт) при управляющих токах в десятки и сотни миллиампер.

Рис. 4.17

Рис. 4.18

Время переключения тока (порядка 50.100 мА) маломощных тиристоров соста­вляет доли микросекунд, а время восстановления сопротивления тиристора при токе Iа = 10 А составляет 200.250 мкс. Коэффициент усиления по мощности тиристора

K_p = U_aI_a /U _yI_y ≈ 250000.

Основные параметры тиристоров:

· напряжение на открытом тиристоре Uот = 1.1,5 В;

· максимальный допустимый ток анода Ia.max;

· управляющие напряжение Uy и ток Iy;

· время включения и выключения tвкл и tвык;

· допустимое обратное напряжение тиристора Uобр max .

 

Например, тиристор типа КУ201А имеет следующие параметры: I_a.max = 2 A, t_вкл = 10 мкс, I_y.max = 2.100 мА.

 

Выпрямители и фильтры

Для многих современных электронных устройств необходимо питание от источников постоянного тока.

Основным элементом выпрямителя является вентиль (диод, тиристор) представляющий собой нелинейный элемент. Наибольшее распространение получили следующие выпрямители: однофазный однополупериодный, однофазный двухполупериодный, трехфазный мостовой (схема Ларионова). При анализе работы выпрямителей будем считать диоды идеальными, т.е. их сопротивление в прямом направлении равно нулю, в обратном — бесконечности. Электрическая схема однофазного однополупериодного выпрямителя.

Предположим, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора является синусоидальным, т.е. U₂ = U_2msinωt. При положительном полупериоде этого напряжения диод VD открыт и в резисторе нагрузки R_н протекает прямой ток i_н = U_2m/R_нsinωt. При этом напряжение на нагрузке U_н = U₂ = U_2msinωt. Падение напряжения на вентиле сравнительно мало, т.к. сопротивление его в прямом направлении R_в.пр << R_н.

При отрицательных значениях U₂ диод закрыт, его сопротивление R_в.обр >> R_н, поэтому U_н мало, и падение напряжения на вентиле U_в = U₂.

Периодическое повторение этих процессов формирует на нагрузке несинусоидальное выпрямленное пульсирующее напряжение U_н, постоянная составляющая которого (среднее значение выпрямленного напряжения) определяется по формуле:

.

Учитывая, что действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂ = U_2m/2, получим U_ср = 0,45U₂.

Главным недостатком такого выпрямителя является большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения p, который представляет собой отношение амплитуды первой гармоники U_1m к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U_нср, т.е.

.

В этой формуле учтено, что при разложении полусинусоиды в ряд Фурье U_н1 = U_нmax/2.

Вторым недостатком такого простейшего выпрямителя является подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током. Поэтому они применяются сравнительно редко для питания цепей малой мощности (10–15 Вт) высокого напряжения, например электронно-лучевых трубок. Отмеченных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители.

Схема двухполупериодного выпрямителя и эпюры, поясняющие ее работу, приведены ниже.

 

Этот выпрямитель имеет уже два вентиля — VD1 и VD2, включенных между вторичной обмоткой трансформатора и сопротивлением нагрузки.

Вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Диоды работают поочередно в течение того полупериода, при котором на аноде устанавливается положительное напряжение. Во время положительного полупериода открыт диод VD1 и через него и R_н протекает ток i₁. Во время отрицательного полупериода VD1 закрывается, а открывается VD2 и через него и R_н протекает i₂. Таким образом, на нагрузке будет также пульсирующее напряжение, действующее в каждый полупериод синусоиды, т.е. U_н = │U₂│ = │U_2msinωt│.

В двухполупериодном выпрямителе среднее выпрямленное напряжение U_нср вдвое больше, а пульсации q значительно меньше по сравнению с однополупериодным (U_нср = 0,9U₂, q = 0,67).

Рассмотренная схема двухполупериодного выпрямителя требует специального трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке.

Это усложняет схему и уменьшает КПД выпрямителя, поэтому большее распространение получил однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Такой выпрямитель содержит четыре вентиля — VD1…VD4, включенных по мостовой схеме. К одной диагонали моста подано синусоидальное напряжение, а к другой подключена нагрузка. Во время положительного полупериода U₂ открыты вентили VD1 и VD4 и протекает ток i₂+ от верхнего выхода трансформатора (от плюса) к нижнему (к минусу). Вентили VD2 и VD3 будут закрыты, т.к. у них на катодах будет положительное напряжение. Во время отрицательных полупериодов U₂, т.е. когда внизу на трансформаторе будет (+), а вверху (–), открываются VD2 и VD3 (у них на анодах положительное напряжение), а VD1 и VD4 закрываются. По выпрямителю протекает ток i₂–, который по нагрузке будет протекать в том же направлении, что i₂+. Эпюры, поясняющие принцип работы этого выпрямителя, такие же, как и для двухполупериодного. Мостовой выпрямитель имеет такие же значения параметров, как и обычный двухполупериодный (U_нср = 0,9U₂, q = 0,67), но КПД у мостового в два раза выше и может достигать 80 %.

В трехфазных цепях чаще всего используется трехфазный мостовой выпрямитель, предложенный в 1923 году А.Н. Ларионовым. В схеме Ларионова шесть вентилей — VD1...VD6, три из них (VD1, VD3 и VD5) подключены катодами к нагрузке, оставшиеся три (VD2, VD4 и VD6) — анодами к нагрузке. Вторичная обмотка трансформатора может включаться треугольником или звездой без нейтрального провода. Такой выпрямитель выпрямляет линейное напряжение. В каждый момент времени работают (включены) два диода (вентиля): один, у которого анод находится под наибольшим напряжением, второй, у которого катод находится под наименьшим напряжением.

Например, в интервале времени t₁–t₂ максимальное значение напряжения будет в точке А (U_А — max), а минимальное — в точке В (U_В — min), поэтому ток потечет по цепи: a(+)–VD1–k –R_н–m–VD4–n–b(–). В интервале времени t₂–t₃ максимальное напряжение сохраняется в точке А (U _A — max), минимальное в момент времени t₂ перейдет в точку С (U _C — min), поэтому возникнет ток по цепи: а(+)–VD1–k –R_н–m–VD6–l–c(–). В интервале t₃–t₄ максимальное напряжение в трехфазной системе (рисунок 4.26) перейдет в точку В (U _b — max), а минимальное пока останется в точке С (U_С — min). Ток будет течь по цепи: b(+)–n–VD3–k-R_н–m–VD6–l–с(–). И так далее будет продолжаться. Направление токов в R_н остается одинаковым, а выпрямленное напряжение U_н является разностью потенциалов точек k и m и определяется огибающими графиков U _A , U _B , U _C За один период синусоидального напряжения будет шесть импульсов, поэтому среднее значение выпрямленного напряжения

.

Амплитуда линейного напряжения трансформатора U_2m = U_нm = 2U₂, где U₂ — действующее значение линейного напряжения во вторичной обмотке трансформатора. Учитывая это, получим

U_нср = 3 2/U₂ =1,35U₂,

т.е. среднее значение выпрямленного напряжения будет в 1,35 раза больше действующего значения выпрямляемого напряжения. Выпрямленное напряжение U_н будет иметь малые пульсации первой гармоники U_н1 относительно U_нср, поэтому коэффициент пульсаций q = 0,057. Малые пульсации позволяют в таком выпрямителе обойтись без фильтра.

Управляемые выпрямители.

Растёт группа потребителей энергии, которые нуждаются в регулируемом выходном напряжении. Для питания таких потребителей применяют тиристорные выпрямители: однофазные при малых токах потребления и трехфазные большой мощности.

 

При указанной полярности вторичного напряжения u2 трансфор­матора Tр тиристор VS1 может пропускать ток i_н' при условии, что на его управляю­щий электрод поступит сигнал управления I_y1. Этот сигнал подают со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол a, называемый углом уп­равления Моментом естественного отпирания тиристора называют мо­мент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (при a = 0).

При включении тиристора при активной нагрузке Rн в момент времени wt = a напряжение на нагрузке uн возрастает скачком до значения uн ' = u2' (при идеаль­ном тиристоре и идеальном трансформаторе). При wt = J ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор VS1 запирается. До отпирания тиристора VS2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку не передается. В момент wt = J + a подается управляющий импульс на тиристор VS2, тиристор открывается, к нагрузке прикладывается напряжение u_н''. Ток протекает через нижнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент wt = 2J происходит выключение тиристора VS2.

Среднее значение напряжения нагрузки

Сглаживающие фильтры

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) ёмкостью доли - единицы микрофарада для устранения высокочастотных помех.