Художественная культура и искусство Курс лекций по истории искусства Теория машин и механизмов Математический анализ Расчеты электрических цепей Начертательная геометрия Примеры выполнения заданий
контрольной работы
Лекции и задачи по физике Компьютерная  безопасность Информационные системы Получение электрической энергии Атомная физика
Электротехника и электроника Закон Ома Второй закон Кирхгоф Расчет смешанной цепи с одной э.д.с. Векторная диаграмма Соединение фаз звездой Соединение фаз треугольником Асинхронный электродвигатель Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с р-п переходом и двумя выводами, в котором используется свойство односторонней проводимости перехода. Стабилитрон также состоит из одного перехода, нормально эксплуатируется при обратном напряжении.

Выпрямительный полупроводниковый диод предназначен для выпрямления переменного тока. Основные электрические свойства полупроводникового диода выражаются вольтамперной характеристикой I = f(u), показывающей зависимость тока через от приложенного к нему напряжения. Характеристика имеет две ветви, соответствующие проводящему состоянию при прямом напряжении Unp и непроводящему обратном Uобр. (6.3. б).

Рис.6.3. Вольт- амперные характеристики: р-п перехода (а) выпрямительного диода (б), стабилитрона (в)

При подаче на диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный не основными носителями заряда через р-п переход. В случае приложения большого может произойти лавинный пробой перехода, что вызывает разогрев диода, рост тока и тепловой пробой, ведущий к разрушению диода. Основными параметрами выпрямительного диода являются: прямое напряжение Unp максимально допустимый прямой ток Inр.mах, допустимое обратное Uобр. mах Ioбр.

Стабилитрон - полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, обратная ветвь вольт- амперной характеристики имеет участок со слабой зависимостью напряжения от величины тока (рис. 6.3в). Прямая стабилитрона обычную форму. При обратном напряжении, равном Ucm, развивается лавинный пробой р-п-перехода в переходе происходит размножение зарядов по типу цепной реакции. Цепной процесс увеличения зарядов, и, следовательно, i через р-n-переход чрезвычайно чувствителен к изменению U: при изменении Ucm на десятые доли процента ток изменяется десятки раз Imin до Imах. Практически указанном интервале изменение напряжение Uст постоянно. Лавинный стабилитроне не разрушает его, поэтому такой называется электрическим. Основное применение стабилитрон находит стабилизаторах напряжения.

Простейший однополупериодный выпрямитель

Простейший однополупериодный выпрямитель (рис. 6.4) состоит из последовательно включенных источника напряжения, диода и активного сопротивления. Переменное синусоидальное напряжение U2. подают на диод Д. За счет односторонней проводимости диодов ток i протекает только в положительные периоды напряжения U2, и, следовательно имеет импульсную форму. Постоянная составляющая этого тока Io определяется средним значением i, протекающего через нагрузку RH за полупериод.

Рис. 6.4. Схема однополупериодного выпрямителя (а) Кривые тока и напряжения (б)

При отрицательной полярности диод закрыт и ток не проходит. Среднее значение выпрямленного тока Io (постоянная составляющая пульсирующего тока) (рис. 6.4б)

Io = Im/>p = 0,32 Im, a Uo = 0,32 U2m среднее значение выпрямленного напряжения.

Важнейшим параметром, характеризующим работу выпрямителя является коэффициент пульсации, где кп = Uoг.м/Uo, Uoг.м - амплитуда основной гармонической составляющей, Uо среднее значение выпрямленного напряжения.

Для однополупериодной схемы выпрямления кп = 1,57. Кп для данной велик, что является главным недостатком схемы.

Тиристор

Тиристор - полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п переходами, используемый для переключения. Два крайних слоя p1 и п2 -эмиттеры: катод; анод. средних (n1 р2) -базы. Электрод, которому приложено напряжение управления, называется управляющим, (рис. 6.5а). Питающие подается на тиристор так, что переходы П1 П3 будут открытыми, а П2 закрытый. Сопротивление мало, велико, поэтому почти все питающее оказывается приложенным к переходу П2. Ток тиристора мал. При повышении Unp (при увеличении ЭДС источника питания Е) ток мало увеличивается.

Рис. 6.5. Структура тиристора (а).

Вольт- амперная характеристика тиристора (б)

При достижении Unp = Uвкл происходит лавинное увеличение носителей заряда в переходе П2 за счет дырок и электронов, прибывших из слоев n2 p1 базы п1 р2. Ток тиристоре возрастает. Происходит пробой промежутка перехода П2. После пробоя напряжение снижается до >¸IB. При дальнейшем увеличении ЭДС Е, ток нарастает в соответствии с вертикальным участком характеристики. Напряжение Uвкл, при котором происходит лавинообразное нарастание тока, снижают за счет введения не основных носителей в слой р2. С увеличением управляющего тока Iу увеличивается число добавочных носителей заряда, напряжения пробоя уменьшается (рис. 6.5 б).

Поэтому важным параметром тиристора является отпирающий ток управления Iу - управляющего электрода, обеспечивающий переключение в открытое состояние.

При изменении полярности напряжения Е на обратную переходы П1 и П3, смещены в обратном направлении, вольт- амперная характеристика не отличается от обратной ветви характеристики диода. Тиристоры, как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли применение управляемых выпрямителях.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру из чередующихся полупроводников р – и п - типа (рис. 6.6)

Рис. 6.6 Устройство, обозначение биполярных транзисторов р-п-р (а) и п-р-п (б) типов полярности напряжения на коллекторе относительно эмиттера

Слои и присоединенные к ним выводы имеют названия: эмиттер (Э), база (Б) коллектор (К). В транзисторе создается два р-п- перехода (рис.6.6): база-эмиттер ПБЭ база-коллектор ПБК. режиме усиления эмиттерному переходу ПБЭ. прикладывается прямое напряжение UБЭ, а коллекторному ПБК - обратное UKБ.

Рис. 6.7 Движение зарядов в транзисторе р-п-р- типа.

Рассмотрим принцип действия на примере р-п-р- транзистора (рис.6.7) Через открытий эмиттерный переход ПБЭ источником UБЭ создается прямой ток Iу образуемый инжекцией (движением) как дырок 1>¸5, так и электронов 6. Дырки 1¸5, пройдя открытый переход ПБЭ, попадают в область базы, где их дальнейшее движение осуществляется по двум направлениям. Первое направление образуют дырки типа 5, которые встречаются в базе с электронами 6 и, рекомбинируя с ними, образуют нейтральные атомы 7. Так как в рекомбинации участвуют электроны 6, поступающие на базу от источника UБЭ, то за счет рекомбинации создается ток базы IБ. Второе направление образуют не прорекомбинировавшие дырки 1¸4, которые достигают границы коллекторного перехода ПБK и, подхваченные ускоряющим полем ЕБК этого перехода, проходят в коллектор и образуют эмиттерную составляющую aIЭ тока коллектора IK. Причем эта составляющая меньше тока эмиттера (a < 1) на величину тока базы 1Б. Так как рекомбинация дырок в базе, осуществимая в результате встречи их с электронами базы маловероятна из-за малой толщины базы и малой концентрации электронов в ней, то подавляющая часть дырок достигает коллектора. Значит эмиттерная составляющая тока коллектора практически равна прямому току эмиттерного перехода. Кроме тока aIЭ через коллекторный переход течет обратный ток Iк.обp, вызванный в нем источником UКБ, который включен к переходу в обратном направлении. Так как обратный ток на 3-5 порядка меньше прямого тока, то в режиме инжекции ток коллектора IK практически равен aIЭ. А при отсутствии инжекции, когда IБ = 0, ток коллектора IK уменьшается в 103 ¸ 105 раз и становится равным току Iк.обp- Причем, так как указанное изменение тока коллектора IK происходит при одном и том же напряжении на коллекторе UKБ, то это эквивалентно изменению сопротивления коллекторного перехода в103 ¸ 105 раз.

Из приведенного описания видно, что назначение базы состоит в том база вызывает из эмиттера на себя поток .зарядов, которые с приобретенной при этом скоростью проходят через базу, как сито и достигают коллектора. Причем, так ток IБ мал. то, очевидно, мощность источника UБЭ, используемая для управления токами IБ, IЭ IK, также мала. Таким образом, биполярный транзистор управляется током, подводимым к базе. Основными параметрами транзистора являются коэффициента передачи тока >a и базы b:

 (6.1)

Коэффициент >b называют коэффициентом усиления транзистора по току. Характерные значения напряжений UБЭ и UK для биполярных транзисторов составляют UБЭ ≤ 0,3 ¸ 0,7 В и UK = 3 ¸ 500 В.

 При расчетах электрических цепей положительные направления токов в элементах цепи в общем случае заранее неизвестны. Поэтому одно из двух воз­можных направлений принимается за положительное и указывается на схеме стрелкой. Это направление выбирают произвольно. Условное положительное направление напряжения на схеме электрической цепи также выбирается произ­вольно и указывается стрелкой. Между зажимами потребителей электрической энергии положительные направления тока и напряжения, как правило, выбира­ются одинаковыми.
Активная мощность трехфазной системы