Как образуется p-n переход в полупроводниковом диоде. Почему диод пропускает ток только в одном направлении. Какие процессы происходят в p-n переходе при прямом и обратном включении. Как выглядит вольт-амперная характеристика диода.
Содержание
Что такое p-n переход и как он образуется
P-n переходом называется граница между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости — электронной (n-тип) и дырочной (p-тип). Это ключевой элемент полупроводникового диода, обеспечивающий его выпрямляющие свойства.
P-n переход образуется при контакте полупроводников n- и p-типа. При этом происходят следующие процессы:
Электроны из n-области диффундируют в p-область, где их концентрация меньше
Дырки из p-области диффундируют в n-область навстречу электронам
В приконтактной области происходит рекомбинация электронов и дырок
Приконтактный слой обедняется носителями заряда и приобретает высокое сопротивление
Формируется объемный заряд из ионизированных доноров и акцепторов
Возникает контактная разность потенциалов и потенциальный барьер
Почему диод пропускает ток только в одном направлении
Выпрямляющее действие диода обусловлено асимметрией проводимости p-n перехода при прямом и обратном включении:
При прямом включении (плюс к p-области, минус к n-области):
Основные носители движутся навстречу друг другу
Потенциальный барьер понижается
Ток через переход резко возрастает
При обратном включении (минус к p-области, плюс к n-области):
Основные носители уходят от перехода
Потенциальный барьер повышается
Через переход течет только небольшой ток неосновных носителей
Процессы в p-n переходе при прямом и обратном включении
При прямом включении диода происходят следующие процессы:
Снижение потенциального барьера
Уменьшение толщины обедненного слоя
Инжекция основных носителей через переход
Рекомбинация носителей в области перехода
Экспоненциальный рост тока с увеличением напряжения
При обратном включении наблюдаются другие эффекты:
Повышение потенциального барьера
Расширение обедненного слоя
Экстракция неосновных носителей
Насыщение обратного тока
Возможен пробой при больших напряжениях
Вольт-амперная характеристика диода
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет ярко выраженный нелинейный характер:
Прямая ветвь: экспоненциальный рост тока с напряжением
Обратная ветвь: очень малый ток насыщения
Резкая асимметрия прямого и обратного токов
Наличие порогового напряжения открывания диода
Возможен пробой при больших обратных напряжениях
Типичный вид ВАХ кремниевого диода показан на рисунке:
«` «`
Основные параметры полупроводникового диода
Ключевыми параметрами, характеризующими работу полупроводникового диода, являются:
Максимальный прямой ток
Максимальное обратное напряжение
Прямое падение напряжения
Обратный ток
Емкость p-n перехода
Время восстановления обратного сопротивления
Каждый из этих параметров влияет на возможности применения диода в различных электронных схемах.
Влияние температуры на характеристики диода
Температура оказывает существенное влияние на работу полупроводникового диода:
С ростом температуры увеличивается обратный ток
Уменьшается прямое падение напряжения
Снижается пробивное напряжение
Изменяется емкость p-n перехода
Поэтому при разработке электронных устройств необходимо учитывать температурную зависимость параметров диодов.
Применение полупроводниковых диодов
Благодаря своим выпрямляющим свойствам, полупроводниковые диоды широко применяются в электронике:
Выпрямление переменного тока
Детектирование радиосигналов
Защита от обратного тока
Ограничение напряжения
Модуляция и демодуляция сигналов
Температурная стабилизация
Понимание принципов работы p-n перехода позволяет грамотно использовать диоды в различных схемах.
Типы полупроводниковых диодов
Существует множество разновидностей диодов для различных применений:
Выпрямительные диоды
Стабилитроны
Варикапы
Светодиоды
Фотодиоды
Диоды Шоттки
Туннельные диоды
Каждый тип диодов имеет свои особенности конструкции и характеристик, определяющие область их применения.
Выпрямляющее действие — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Выпрямляющее действие — диод
Cтраница 1
Выпрямляющее действие диода основывается на нелинейности его вольт-амперной характеристики. Мы должны быть уверены, что между выпрямленным током и напряжением зонда нет пропорциональной зависимости. При малых сигналах между током и напряжением существует квадратичная зависимость. Как показано на рис. 12 — 11, область квадратичной зависимости переходит в область линейной зависимости. Таким образом, при измерении стоячей волны важно знать, в какой области работает диод.
[2]
Выпрямляющее действие диодов характеризуется коэффициентом выпрямления / Св / пр / / обр обр / пр. С увеличением частоты коэффициент выпрямления уменьшается. Изменение температуры выпрямительного элемента вызывает изменение его сопротивлений Япр и обр; с повышением температуры они уменьшаются. Однако температурный коэффициент обратного сопротивления в несколько раз выше температурного коэффициента прямого сопротивления, поэтому с повышением температуры коэффициент выпрямления уменьшается.
[3]
Вследствие выпрямляющего действия диода на резисторе 0 2 Мом возникает необходимое напряжение смещения. Контур ТК, настроенный на выходную частоту 432 Мгц, через небольшой конденсатор связи емкостью от 0 8 до 6 пф подключен к диоду.
[5]
Вместе с тем это время определяет и максимальную скорость нарастания напряжения переменного тока, при которой наблюдается требуемое выпрямляющее действие диода.
[7]
В качестве выпрямительных элементов применяются плоские и точечные германиевые и кремниевые диоды. Выпрямляющее действие диодов основано на том, что они обладают разным электрическим сопротивлением для тока разных направлений.
[8]
В качестве выпрямительных элементов применяются плоские и точечные германиевые и кремниевые диоды. Выпрямляющее действие диодов основано на том, что они обладают разным электрическим сопротивлением для тока разных направлений. Зависимость между приложенным к выпрямителю ( детектору) напряжением и проходящим через него током находится экспериментально при определенной температуре окружающей среды. Вольт-амперная характеристика выпрямительного элемента ( рис. 3.25) имеет нелинейные и линейные участки.
[10]
Зависимости, характеризующие работу полупроводникового германиевого диода, определяются его вольт-амперной характеристикой ( рис. 11 0), представляющей графическое изображение функциональной зависимости между приложенным к диоду напряжением и протекающим через него током. На рис. 27 6 приведена зависимость тока, протекающего через диод при включении его в цепь переменного тока. Из графика следует, что ток через диод проходит только в течение одного полупериода и, кроме того, при малых токах выпрямляющее действие диода заметно ухудшается.
[12]
При выпрямлении токов очень высокой частоты вредно влияет емкость анод — катод диода Сл.х. Она состоит из емкости между электродами и емкости между выводными проводниками. На низких частотах шунтирующего влияния эта емкость не оказывает, так как ее сопротивление составляет миллионы ом. А на частотах в десятки мегагерц и выше сопротивление емкости становится соизмеримым с внутренним сопротивлением диода и даже меньше его. Тогда переменный ток проходит через эту емкость и выпрямляющее действие диода ухудшается.
[13]
К параметрам диода следует отнести емкость анод — катод Сак, в которую входят емкость между самими электродами, а также емкость между выводными проводничками и контактами цоколя. Эта емкость бывает порядка единиц пикофарад и более. На низких частотах ее сопротивление очень велико ( миллионы ом), и она практически не влияет на работу диода. А на частотах от десятков мегагерц и выше сопротивление емкости Сак становится такого же порядка, как внутреннее сопротивление диода, и даже меньше его. Тогда переменный ток будет сравнительно свободно проходить через эту емкость и выпрямляющее действие диода в большей или меньшей степени нарушится.
[14]
Страницы:
1
Работа № 2. Полупроводниковые диоды.
Цель работы: исследование статической
вольтамперной характеристики (ВАХ)
диодов на основе различных полупроводниковых
материалов и сравнение практических и
теоретических характеристик .
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Сравнение характеристики реального
диода с характеристикой идеального p-nперехода.
Известно, что статическая ВАХ
идеализированного полупроводникового
диода описывается выражением:
,
где I – ток диода; U – приложенное к нему
напряжение; Is – ток насыщения, определяемый
параметрами p-n перехода; kT/q – тепловой
потенциал (=0,0259 В при Т=300К).
Вид характеристики описанной данным
выражением представлен на рис.
ВАХ идеального p-nперехода.
При изображении ВАХ масштаб по осям
прямых и обратных напряжений выбирается
разным так как эти значения различаются
на порядки. Разные масштабы создают
впечатление излома характеристики в
нулевой точке, в действительности же
ВАХ является дифференциально гладкой.
На прямой ветви характеристики зависимость
тока от напряжения носит экспонентациальный
характер, а после прохождения напряжение
через пороговое значение Uпрдальнейшее изменение напряжения на
десятые доли вольта вызывает значительное
изменение тока через диод.
Единственный параметр ВАХ, связанный
с физико-конструктивными параметрами
и геометрическими размерами активной
области диода, является ток насыщения
Is.
где q– заряд электрона;ni–
собственная концентрация носителей
заряда в полупроводнике;NDbиLpb– коэффициент диффузии и диффузионная
длинна неосновных носителей в ней;Wb– толщина базы;F- площадьp-nперехода.
ВАХ реального диода отличается от
характеристики идеального p-nперехода в силу ряда причин:
Рекомбинации и генерации дырок и
электронов в ОПЗ перехода
Падения напряжения на объемном
сопротивлении базы
Появления эффектов высокого уровня
инжекции при больших токах
Наличия токов утечки через p-nпереход
Начала пробоя на обратной ветви ВАХ
Неоднородного легирования базы
Разогрева p-nперехода выделяемой мощностью
Перечисленные эффекты приводят к тому,
что ВАХ диода описывается только
качественно.
Обратная ветвь ВАХ образуется суммой
трех составляющих:
тока насыщения Is,
тока термогенерации в ОПЗp-nпереходаIGи тока утечкиIут.
Соотношение между этими составляющими
для диодов из разных полупроводниковых
материалов различно
Ток термогенерации в p-n-переходе
описывается формулой:
где δ– ширинаp-n-перехода;τpn– эффективное время жизни, характеризующее
темп генерации электронно-дырочных пар
в ОПЗ перехода. Ток зависит от приложенного
обратного напряжения через зависимость
δ(U).
Ток утечки обусловлен проводящими
каналами внутри p-n-перехода
и на поверхности кристалла. Он зависит
от площади и периметра перехода и ряда
других факторов и имеет примерно линейную
зависимость от обратного напряжения.
Прямая ветвь ВАХ реального диода
сохраняет экспоненциальную зависимость
тока от напряжения, поэтому ее можно
описывать выражениями типа:
где I0 и m параметры
характеристики, которые могут изменяться
на различных участках ВАХ.
Сравнение характеристик диодов из
различных материалов
Исследуемые в работе диоды выполнены
из различных полупроводниковых
материалов, но имеют примерно одинаковые
физико-конструктивные параметры. Отличие
их характеристик связано с отличием
параметров:
Ширины запрещенной зоны
Подвижности носителей заряда
Время жизни носителей заряда
и д.р.
Наибольшее влияние на различие параметров
оказывает разница в значениях ширины
запрещенной зоны Eg.
Она определяет собственную концентрацию
носителей зарядаniкоторая входит в выражение параметров
ВАХ.
Значение ширины запрещенной зоны Egиniприведены в приложении 3.
Токи насыщения всех диодов, кроме
германиевого, очень малы и составляют
единицы наноампер, поэтому основным
компонентом обратного тока этих диодов
является ток утечки. Основное отличие
прямых ветвей ВАХ различных диодов
заключается в различном значении тока
насыщения. В приложении 3 приведены
значения UПРполученные теоретическим путем у
реальных диодов оно может отличаться
по ряду причин, в основном из-за падения
на объемном сопротивлении базы.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для исследования вольт-амперной
характеристики реального диода студентам
необходимо произвести сборку схемы
эксперимента
Схема эксперимента
В качестве милиамперметра и вольтметра
могут быть использованы цифровой
осциллограф либо цифровые мультиметры.
В качестве источника используется
управляемый источник напряжения на
учебном стенде NIELVIS.
В целях обеспечения бесперебойной
работы генератора стенда в цепь необходимо
включить ограничивающее сопротивлениеR, значение которого
студентам необходимо рассчитать,
используя параметры стенда.
После сборки схемы и её проверки
преподавателем, студентам необходимо
произвести серию экспериментов. Путем
регулировки значения напряжения на
выходе с генератора и записью показаний
приборов в таблицу.
ОФОРМЛЕНИЕ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по данной лабораторной работе
должен быть оформлен в соответствии с
требованиями, приведенными в соответствующем
разделе данного МУ.
Отчет по лабораторной работе №2 должен
содержать:
Схему эксперимента
Расчет ограничивающего сопротивления
Таблицу результатов и график ВАХ
Выводы в виде сравнения ВАХ реального
и идеального диодов.
Решение задач для самостоятельного
изучения
Защита работы по результатам её выполнения
заключается в составлении отчета и
ответе на контрольные вопросы и задачи
для самостоятельного изучения.
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
Самостоятельная работа студентов
заключается в решение задач по теме
«p-nпереход»
задания выдаются индивидуально
преподавателем.
Все необходимые для решения задач
справочные данные приведены в приложении
4.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Объясните выпрямляющее действие
диода.
Приведите основные параметры
выпрямительного диода.
Как влияет температура на диод?
Чем определяется рабочая область
диода?
В чем заключается основное свойство
выпрямительного диода?
По каким параметрам выбираются диоды
в схемах?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ. Цель работы: изучить принцип действия и характеристики полупроводниковых
Лекция 11. Электронно-дырочный переход
Лекция 11. Электронно-дырочный переход Контакт двух примесных полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n-переходом. Обычно он создается
Подробнее
Электронно-дырочный переход
Кафедра экспериментальной физики СПбПУ Электронно-дырочный переход Методические указания к лабораторному практикуму по общей физике СПбПУ 2014 Лабораторная работа 2.08 «Электронно-дырочный переход» 1 http://physics.spbstu.ru
Подробнее
«Исследование характеристик фотодиодов»
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Лабораторная работа «Исследование характеристик фотодиодов» Утверждено на заседании каф. 405 31.08.06 (Протокол 1) как учебно-методическое
Подробнее
к изучению дисциплины
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ. С.Г.Камзолова ПОСОБИЕ к изучению дисциплины «Общая электротехника и электроника», раздел «Электронные приборы» Часть 1. для студентов
Подробнее
Изучение работы p-n перехода
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЛ техники эксперимента МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» www.rib.ru e-mail: [email protected] 010804. Изучение работы —
Подробнее
Кремневый стабилитрон
Кремневый стабилитрон Полупроводниковые стабилитроны составляют особую группу полупроводниковых диодов, отличительной особенностью которых является то, что они работают в области обратного пробоя p-n перехода
Подробнее
Ф-106 Изучение характеристик р-п перехода.
1 «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Факультет «Фундаментальные науки»
Подробнее
Дисциплина «Твердотельная электроника»
Дисциплина «Твердотельная электроника» ТЕМА 3: «Полупроводниковые диоды» Легостаев Николай Степанович, профессор кафедры «Промышленная электроника» Классификация диодов. Полупроводниковым диодом называют
Подробнее
варикапы, стабилитроны и др.
2.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковыми диодами называют полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом и двумя выводами. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования
Подробнее
Порядок выполнения задания
Целью лабораторной работы является закрепление теоретических знаний о физических принципах работы и определяемых ими характеристиках и параметрах полупроводниковых стабилитронов путем их экспериментального
Подробнее
«Исследование оптронов»
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Лабораторная работа «Исследование оптронов» Москва, 2006 г. Оптоэлектронная пара. Оптопарой называется прибор, содержащий светоизлучатель
Подробнее
ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И
Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Кафедра электроники Отчет по лабораторной работе: ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ
Подробнее
Порядок выполнения задания
Лабораторная работа 7 Измерение и исследование ВАХ и параметров полевых транзисторов 1. Цель лабораторной работы Целью лабораторной работы является закрепление теоретических знаний о физических принципах
Подробнее
Нелинейные сопротивления «на ладони»
Нелинейные сопротивления «на ладони» Структурой, лежащей в основе функционирования большинства полупроводниковых электронных приборов, является т.н. «p-n переход». Он представляет собой границу между двумя
Подробнее
УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ
УНОЛЯРНЫЕ (ОЛЕВЫЕ) ТРАНЗСТОРЫ Униполярными называются транзисторы, в которых для создания тока используются носители заряда только одного знака. Эти транзисторы делятся на два основных класса: 1) Транзисторы
Подробнее
5.1. Физические основы полупроводников
5.1. Физические основы полупроводников Тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную (N), а другая дырочную (Р) проводимость, называется электронно-дырочным
Подробнее
Изучение работы полевого транзистора
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Изучение работы полевого транзистора Цель работы: ознакомиться с принципами работы полевого транзистора, построить стоковые характеристики транзистора. Краткие теоретические сведения
Подробнее
2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером (Э), а другая коллектором (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе.
Подробнее
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковые диоды Электроника Полупроводниковые диоды приборы с одним p-n-переходом и двумя выводами, обладающие односторонней проводимостью тока. Вольт-амперная характеристика диода ВАХ диода —
Подробнее
Контрольная работа рейтинг 1
Контрольная работа рейтинг 1 ЗАДАНИЕ 1 1. Дать определение потенциального барьера n-p перехода, от чего зависит его величина и толщина перехода. Их влияние на параметры диода. 2. Определить внутреннее
Подробнее
АМПЛИТУДНЫЕ ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электроника» 1 М. А. Оськина АМПЛИТУДНЫЕ ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ Екатеринбург 2009 Федеральное
Подробнее
Составитель: Н.Н. Муравлева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ P-N ПЕРЕХОДА. Методические указания к самостоятельной виртуальной практической работе по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов всех
Подробнее
Лабораторная работа № 403
Лабораторная
работа № 403.
ИЗМЕРЕНИЕ
ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКА
Цель работы: 1)
исследование температурной зависимости обратного тока плоскостного диода;
2) определение
ширины запрещенной зоны полупроводника.
Приборы и принадлежности:
исследуемый диод, термостат, блок питания, цифровой вольтметр, электроплитка.
1.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
1.1.
Образование р-n-перехода
Граница
соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а
другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом).
Обладая односторонней проводимостью, эти переходы имеют большое практическое
значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, используемых
для выпрямления и преобразования переменных токов.
Р-n-переход нельзя осуществить просто механическим соединением
двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при
выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например,
на кристалл германия n-типа накладывается индиевая
«таблетка» (см. рис.1а). Эта система нагревается примерно
до 500°С
в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую
глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий
индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося
расплава и германия n-типа образуется р-n-переход (рис.1б).
Рассмотрим физические
процессы, происходящие в р-n-переходе. Пусть донорный полупроводник приводится в контакт
(рис.2) с акцепторным
полупроводником.
Электроны из n-полупро-водника,
где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит
в обратном направлении — в направлении р® n.
Диффундируя
во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют
друг с другом. Поэтому р-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и
приобретает большое сопротивление. В n-полупроводнике, из-за
ухода электронов, вблизи границы остается нескомпенсированный положительный
объемный заряд неподвижных ионизированных атомов. В р-полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется
положительный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис.2).
Таким образом, р-n-переход
— это область, обедненная
носителями тока (дырками и электронами), в которой при контакте
полупроводников возникает объемный заряд (отрицательные ионы акцепторов,
положительные ионы доноров, — и те и другие ионы жестко закреплены в узлах
кристаллической решетки и поэтому не являются носителями тока). Возникший в
месте контакта объемный заряд формирует потенциальные барьеры, препятствующие
проникновению в эту область основных носителей тока — дырок из р- и электронов из n-полупроводника. Но те же потенциальные барьеры способствуют
переходу неосновных носителей тока через р-n-переход. Для р-полупроводника
неосновными носителями тока являются электроны, для n-полупроводника
-
дырки, и потенциальные барьеры способствуют притоку неосновных носителей в область
р-n-перехода:
через р-n-переход
протекают токи дырок из n- в р-область и электронов из р- в n-область.
Эти токи малы, т.к. концентрации неосновных носителей малы. В равновесном
состоянии токи неосновных носителей компенсируются диффузионными токами
основных носителей, так что суммарный ток через р-n-переход равен нулю.
Толщина d слоя р-n-перехода в полупроводниках составляет
примерно 10-6¸10-7м, а контактная разность потенциалов
-
десятые доли вольт. Основные носители тока способны преодолеть такую разность
потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т.е. при обычных
температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется
повышенным сопротивлением).
1.2.
Выпрямляющее действие р-n-перехода
Сопротивление
запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если
приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику
(рис. 3а), т.е. совпадает с полем контактного слоя, то оно
вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок
в р-полупроводнике от границы р-n-перехода в противоположные
стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет,
т.е. потенциальные барьеры для дырок и электронов возрастут. Ток неосновных
носителей должен возрасти, но так как число неосновных носителей мало, то
этот поток очень быстро достигает насыщения и при дальнейшем увеличении
внешней разности потенциалов не изменяется, оставаясь очень малым по величине.
Через р-n-переход
будет протекать очень маленький ток, называемый «обратным». Такое включение
внешнего напряжения называется запирающим
(обратным).
Если
приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно
полю контактного слоя (см. рис. 3б),
то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и
дырок в р-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу
друг к другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и
его сопротивление уменьшаются, т.е. уменьшается высота потенциальных барьеров
для дырок и электронов. В этих условиях резко возрастает диффузионный поток
дырок из р- в n-область
и электронов из n- в р-область. Через переход потечет ток в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику, величина которого будет сильно зависеть
от приложенной внешней разности потенциалов. Такое включение внешнего
напряжения называется пропускным (прямым).
График
зависимости тока через р-n-переход от приложенного внешнего напряжения показан на рис.4. Обратите внимание на масштаб
оси напряжения: в прямом направлении масштаб оси напряжения на порядок
меньше, чем при обратном. При больших обратных напряжениях неосновные носители
приобретают при движении через переход большую энергию и начинают разогревать
его. Из-за увеличения температуры возрастает число неосновных носителей в
полупроводнике и обратный ток возрастает. Процесс лавинообразно нарастает, и
саморазогрев р-n-перехода
приводит к тепловому пробою (р-n-переход на таких участках выгорает, образуя проводящие
мостики; на графике «пробойное» напряжение обозначено Uпр.
Р-n-переход с вольтамперной
характеристикой, приведенной на рис.4,
обладает выпрямляющим действием. Покажем это. Пусть на р-n-переход подается переменное напряжение
U~
(рис.5). В те моменты времени,
когда внешнее напряжение имеет полярность, соответствующую пропускному
направлению, через переход протекает большой ток. Когда полярность U~ совпадает с запирающим направлением,
ток через переход почти равен 0. То есть через переход протекает ток фактически
одной полярности, он называется выпрямленным.
Таким
образом, р-n-переход
(подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной)
проводимостью.
2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА
ИЗМЕРЕНИЙ
На
вольтамперные характеристики полупроводниковых выпрямителей в сильной степени
влияет температура. При повышении температуры увеличиваются прямой и обратный
токи. Обратный ток существенно зависит от температуры, тогда как относительное
изменение прямого тока с изменением температуры незначительно. С ростом температуры
уменьшается высота потенциального барьера и экспоненциально растет
концентрация неосновных носителей заряда, вследствие чего увеличивается ток
насыщения IS с повышением температуры.
Зависимость
обратного тока насыщения от температуры для полупроводниковых диодов можно
представить в виде:
(1)
где С -
множитель, слабо зависящий от температуры, DW — энергия
материала диода (ширина запрещенной зоны).
Исследуя
температурную зависимость обратного тока насыщения, можно найти значение
энергии активации (ширины запрещенной зоны) полупроводникового материала
диода. Логарифмируя выражение (1), получим для температур Т1 и Т2 выражения:
(2)
Решая
уравнения (2) относительно энергии DW, получим:
(3)
где IS1
и IS2 — обратные токи насыщения при температурах Т1 и Т2 соответственно, k — постоянная
Больцмана.
Блок-схема
установки для определения температурной зависимости обратного тока
полупроводникового диода представлена на рис.6.
Исследуемый диод 1, на который подается напряжение от блока питания 2,
помещают вместе с термометром 3 в термостат 4,5 и нагревают с помощью
электроплитки 6 от комнатной температуры до 60 °С.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И
ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Собрать схему
для измерения обратного тока диода.
2. Подать на
диод напряжение 8 ¸
10В в обратном направлении («-»
блока питания подключить к «+» анода диода).
3. Измерить
обратный ток диода при комнатной температуре.
4. Включить
нагреватель термостата и исследовать температурную зависимость обратного тока
диода, измеряя его значение через 5°С. Измерения вести до
температуры 60°С.
Данные занести в таблицу.
Таблица результатов
№
t
IS
Т
опыта
°С
мкА
К
Дж
эВ
5. Построить
график зависимости натурального логарифма обратного тока диода lnIS от обратной
температуры . Провести через экспериментальные точки прямую линию.
6. Определить
координаты концов прямолинейного участка графика и вычислить по формуле (3)
ширину запрещенной зоны полупроводника.
7. Сравнить
полученное значение со значением ширины запрещенной зоны кремния (DW = 1,07 эВ) и германия (DW = 0,65 эВ) при
температуре 340 К (1эВ = 1,6×10-19Дж).
4.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ
1.
Сформулируйте цель работы.
2.
Опишите рабочую установку и ход эксперимента.
3.
Поясните
экспериментальное определение ширины запрещенной зоны полупроводника.
5.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ
1. Дайте
определение собственного и примесного полупроводников (см. лаб. раб. № 401).
1. Трофимова
Т.И. Курс физики. -
М.: Высш. шк, 2002. — 542 с.
2. Савельев
И.В. Курс общей физики. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика
твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. -
М.: АСТ, 2001. -
368с.
3. Епифанов
Г.И. Физика твердого тела. — М.: Высшая школа, 1965.
4. Стильбанс
Л.С. Физика полупроводников. — М.: Сов. Радио, 1967.
Определить коэффициент выпрямления диода по формуле (7.3).
7.5 Контрольные вопросы
1 Что такое полупроводник?
2 Каковы основные положения зонной теории твердых тел и каким образом она объясняет деление кристаллических тел на проводники, полупроводники и диэлектрики?
3 Что такое собственные и примесные полупроводники? Какими бывают примеси? Что такое полупроводник р- и п-типа и каковы механизмы их электропроводимости? От чего зависит их электропроводность?
4 Что такое р-n-переход и каков механизм образования двойного электрического слоя?
5 Что такое запорный слой и каковы его свойства? Объяснить природу большого сопротивления р-n-перехода.
6 В чем состоит принципиальное отличие контакта двух металлов и р‑n‑перехода?
7 Как объясняется выпрямляющее действие р-п-перехода? Описать действие р-n-перехода при прямом и обратном включениях.
8 Объясните принцип выпрямления и детектирования диодом переменного тока.
9 Каковы преимущества и недостатки полупроводниковых диодов в сравнении с вакуумным диодом? Каково функциональное назначение тепловых радиаторов?
Лабораторная работа № 84
Изучение работы транзистора
Цель работы: познакомиться с устройством и принципом работы транзистора, определить коэффициент усиления транзистора. Определить обратный ток коллектора.
8.1 Краткие теоретические сведения
Транзисторами (полупроводниковыми триодами) называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления и генерирования колебаний параметров электрического тока. Они представляют собой полупроводниковый кристалл с тремя областями различной примесной проводимости, образующими два встречных р-п-перехода, взаимодействующими между собой через конструктивно тонкий промежуток, называемый базой. Соответственно в зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-p-типа (рис.8.1, а) и n-р-n-типа (рис.8.1, б). Один из р-п-переходов называется эмиттерным переходом или просто эмиттером (Э на рис. 8.1), а второй – коллекторным или коллектором (К на рис. 8.1). К каждой из областей припаяны металлические электроды для включения прибора в электрическую цепь.
Внизу на рис. 8.1 под каждым из рисунков представлены символические обозначения соответствующих транзисторов в электрических схемах.
Принцип усилительного действия транзистора состоит в следующем. Усиливаемый сигнал Uвх (рис. 8.2) подается в эмиттерный переход, где источник внешнего напряжения БЭ включен в пропускном (прямом) направлении и малые изменения напряжения ведут к значительным изменениям тока эмиттера. В коллекторный переход источник тока БК включается в запорном (обратном) направлении и в идеальном случае ток в цепи коллектора должен отсутствовать без наличия тока эмиттера. Однако благодаря тому, что база тонкая, ее размеры не превышают в обычных транзисторах 0,025 мм, что во много раз меньше диффузионной длины носителей тока, основные носители тока, поступающие в базу, не успевают рекомбинировать и создать, таким образом, эмиттерный ток, а захватываются электрическим полем коллекторного р‑п‑перехода. Электрическое поле этого перехода всегда направлено так, что оно способствует захвату носителей тока, поступающих в базу (см. рис. 8.2). В коллекторной цепи ставится источник тока БК, за счет энергии которого осуществляется усиление сигнала.
Поступившие в коллектор основные носители (порядка 98…99%) захватываются этим источником тока и создают ток через большое нагрузочное сопротивление Rн, что ведет к усилению входного сигнала по напряжению (см. рис. 8.2).
Описанная выше картина процессов в транзисторе является схематичной. Примесная проводимость полупроводников существует на фоне основной проводимости базового кристалла, то есть германия или кремния, которая, являясь проводимостью смешанного типа, поставляет наряду с основными носителями тока и неосновные. Внутренние электрические поля р‑п-переходов, препятствуя движению основных носителей данного примесного полупроводника, способствуют движению неосновных носителей в зоны противоположной примесной проводимости – через р‑п-переходы идет обратный ток. Обратный ток, будучи в миллионы раз меньше прямого, создает все-таки сложности в работе приборов. В частности, из-за высокого сопротивления р‑п-перехода обратному току происходит избыточное нагревание кристалла и увеличение его собственной проводимости.
При достаточно высокой температуре, когда примесные центры истощаются (см. п. 4.1), прямой и обратный токи практически выравниваются, а р-п-переходы исчезают, прибор выходит из строя. Для соблюдения температурного режима работы транзисторов их необходимо устанавливать на теплоотводящую пластинку, которая является частью теплового радиатора прибора. Это приводит к лишним потерям энергии и увеличивает габариты прибора, а значит, и всего устройства, где транзисторы используются. Серьезным недостатком полупроводниковых триодов является то, что их нормальная работа возможна только в сравнительно узком температурном интервале. Для германия температура перехода к собственной проводимости — порядка 100°С. При этой температуре резко увеличивается собственная проводимость, и управление потоками носителей тока становится невозможным. По этой причине верхний предел германиевых транзисторов поддерживается не выше 55…75°С.
При низких температурах энергии теплового движения оказывается недостаточно для ионизации необходимого количества примесей, перевода их в зону проводимости. Это приводит к сильному увеличению сопротивления прибора и к нарушению режима его работы. Для обычных полупроводниковых триодов нижний предел рабочих температур достигает ‑55°С. Тем не менее транзисторы имеют ряд преимуществ перед, например, ламповыми триодами, использовавшимися до транзисторов: они малогабаритны, безинерционны, потребляют мало энергии, устойчивы к механическим нагрузкам, что определило их широкое применение в радио-, теле- и электротехнике.
Усиление по напряжению и мощности, создаваемое транзисторами, определяется их собственными свойствами, но зависит также от параметров схем включения в электронных схемах.
В зависимости от того, какой из электродов будет общим для входного и выходного сигналов, различают три основные схемы включения транзисторов.
а) Схема с общей базой. В схеме с общей базой (рис. 8.3) входной сигнал действует между эмиттером и базой. Входным является ток эмиттера, а выходным — ток коллектора. Так как ток эмиттера больше тока коллектора, то усиления по току не происходит. Коэффициент усиления по току
(8.1)
Эта схема усиливает только по напряжению и мощности и имеет малое входное и большое выходное Rн сопротивления.
б) Схема с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входной сигнал действует между базой и эмиттером (рис. 8.4), а нагрузка включается между коллектором и эмиттером. Входным является ток базы, а выходным — ток коллектора. Эта схема усиливает и по току и по напряжению. Ее входное и выходное сопротивления велики.
Коэффициент усиления по току β этой схемы определяют по семейству статических вольтамперных характеристик, то есть по зависимости тока коллектора IК от напряжения между эмиттером и коллектором UКЭ при различных фиксированных значениях тока базы (рис. 8.5):
(8.2)
Коэффициенты усиления α и β связаны между собой соотношениями:
(8.3)
которые позволяют по значению одного из коэффициентов вычислить другой.
в) Схема с общим коллектором. В схеме с общим коллектором (рис. 8.6) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер — база, проходя через нагрузку Rн , а сама нагрузка включается между эмиттером и коллектором и выходное сопротивление составляет лишь часть входного. Это приводит к тому, что коэффициент усиления схемы по напряжению всегда меньше единицы. Коэффициент усиления схемы по току равен:
(8.4)
Эта схема используется для согласования каскадов, обладающих большим выходным сопротивлением и малым входным.
Незатухающие электромагнитные колебания создаются генераторами электромагнитных колебаний, представляющие собой автоколебательные системы.
На рис. 8.7, а представлена принципиальная схема генератора электромагнитных незатухающих колебаний. В колебательном контуре L1R1C возникают затухающие свободные колебания, частота которых определяется параметрами контура. Энергия контура восстанавливается от источника тока Б через устройство обратной связи, являющее собой, например, транзистор, открытие которого регулируется ЭДС индукции, наводящейся в катушке связи L2. Источник тока Бс и сопротивление смещения R регулируют величину порции энергии, необходимой для компенсации потерь в контуре (см. рис. 8.7 б). Если вместо сопротивления R использовать микрофон или другое устройство, то электромагнитные колебания будут модулированы по интенсивности, например, звука (рис. 8.7).
8.2 Экспериментальная установка и метод
Исследуется транзистор П201, включенный по схеме с общим эмиттером (см. п. 8.1, б). Это германиевый транзистор р-п-р-типа. Транзистор установлен на теплоотводящем радиаторе, как это предусмотрено инструкцией его эксплуатации.
Для исследования работы транзистора выполняются два упражнения. В первом упражнении строятся его статические вольтамперные характеристики (см. рис. 8.5). По характеристикам, с использованием формул типа (8.2), определяется коэффициент усиления по току b и по формуле (8.3) рассчитывается коэффициент передачи тока a. Для построения характеристик используется экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 8.8. Транзистор Тр питается от источника тока Ис. Напряжение в цепи «коллектор-эмиттер» регулируется реостатом, включенным по схеме потенциометра П. Измеряется напряжение вольтметром V. Коллекторный ток измеряется миллиамперметром mAк. Ток в цепи «эмиттер-база» (ток базы) регулируется магазином сопротивлений М, имеющим три декадника с кратностями, соответственно, ´10 000 Ом, ´1 000 Ом и ´100 Ом. Измеряется ток базы базовым миллиамперметром mAб.
Второе упражнение посвящено измерению обратного тока коллектора, для чего используется установка, схема которой приведена на рис. 8.9.
Эмиттер отсоединен. На базу подается положительный потенциал. Напряжение в цепи «база-коллектор» регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром V. Ток в цепи измеряется микроамперметром mA. Обратите внимание, что полярность его подключения обратная той, что была в схеме упражнения 1 (рис. 8.8).
8.3 Упражнения
8.3.1 Упражнение 1. Исследование работы транзистора
Порядок выполнения работы
1 Собрать экспериментальную установку по схеме рис. 8.7.
2 На магазине сопротивлений поставить максимальное сопротивление. Рукоятки всех декадников должны быть в положении «9». Потенциометр установить в нулевое положение. Дать проверить схему преподавателю.
3 Изменяя положение ручек декадников магазина сопротивлений, добиться тока базы 1,0 мА. Если исследуется другой тип транзистора, преподаватель укажет другие параметры измерений.
4 Включить установку в сеть и, увеличивая с помощью потенциометра напряжение через 1 В, измерять силу коллекторного тока. Результаты заносить в табл. 8.1. После окончания замеров потенциометр вывести на ноль.
Таблица 8.1
U, В
IБ1=1,0 мА
IК, мА
IБ2=1,5 мА
IБ3=2,0 мА
5 Повторить пп. 3, 4 и выполнить измерения для тока базы IБ1=1,5 мА и IБ1=2,0 мА.
Обработка результатов измерений
1 По данным табл. 8.1 построить вольтамперные характеристики транзистора (см. рис. 8.5). Графики провести как плавные лекальные кривые.
2 Провести ординату для UК = 5 В и определить значения коллекторных токов соответствующих каждому из графиков как точек пересечения ординаты с графиками (см. рис. 8.5). Результаты занести в табл. 8.2.
Таблица 8.2
№ п/п
IБ, мА
(DIБ)kl, мА
IК, мА
(DIК)kl, мА
bkl
Dbkl
1,0
0,5
1,5
0,5
2,0
1,0
Средние значения
3 Рассчитать значения (DIБ)klи (DIК)kl, где индексы принимают значения: k = 2, 3, 3; l = 1, 2, 1. Результаты занести в табл. 8.2.
4 Рассчитать значения bkl, используя формулу
Результаты занести в табл. 8.2.
5 Определить среднее значение коэффициента b как среднее арифметическое:
где индекс суммирования N соответствует номеру порядка измерения.
6 Рассчитать абсолютные погрешности Dbkl измерения b и определить их среднее значение:
7 Определить относительную погрешность измерения:
8 Рассчитать коэффициент a по формуле (8.3), используя среднее значение <b>.
9 Рассчитать погрешности определения коэффициента a:
относительную
и абсолютную
10 Записать результаты измерений коэффициентов a и b в стандартной форме.
8.3.2 Упражнение 2. Определение обратного тока коллектора
1 Собрать электрическую схему в соответствии с рис. 8.8.
2 После проверки схемы преподавателем или лаборантом установить с помощью потенциометра напряжение UK = 5 B, а затем UK = 10 B и измерить обратный ток коллектора. Результаты занести в протокол измерений и записать под результатами из упражнения 1.
8.4 Контрольные вопросы
1 Что такое транзистор? Назовите его основные элементы.
2 Каковы принципы работы транзистора? Каким образом включаются источники тока в эмиттерную и коллекторную цепи транзистора?
3 Где используются транзисторы и чем определяется их широкое использование? Каковы недостатки работы транзисторов?
4 Каковы причины существования обратного тока в р-п-переходах и какое значение, на ваш взгляд, имеет измерение обратного тока коллектора?
5 От чего зависят коэффициенты усиления транзистора по току, по напряжению, по мощности? Какие схемы включения транзисторов вы можете назвать и дать им характеристику?
6 Что такое вольтамперная характеристика транзистора и почему она называется статической?
7 Как можно определить коэффициенты усиления по току a и b?
8 Какова роль транзисторов как элемента автоколебательных систем для создания незатухающих электромагнитных колебаний?
Список рекомендуемой литературы
1 Савельев И. В. Курс общей физики. Квантовая оптика. Физика атома. Физика твердого тела. Физика ядра. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1990. — Т. 3. –496 с.
2 Епифанов Т.И. Физика твердого тела. – М.: Наука, 1977. – 346 с.
3 Карякин Н.И. и др. Краткий справочник по физике. – М.: Высш. школа, 1962. — 559 с.
4 Физическая энциклопедия / Науч.-ред. совет изд-ва “Сов. энциклопедия”; Пред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1992.- Т. 4. — 592 с.
СОДЕРЖАНИЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ………………………………………………………………..3
1. Лабораторная работа № 62Определение радиуса
кривизны линзы с помощью колец Ньютона………………………………5
2. Лабораторная работа № 63Определение длины
световой волны с помощью дифракционной решетки………………13
3. Лабораторная работа № 64 Опытная проверка
законов Малюса и Брюстера…………………………………………………….24
4. Лабораторная работа № 71Опытная проверка
закона Стефана-Больцмана…………………………………………34
5. лабораторная работа № 74 Изучение работы
спектроскопа и наблюдение оптических спектров……………………..45
6. Теоретические сведения, которые
необходимо выучить для выполнения
лабораторных работ № 83 і 84 ………………………….….57
7. Лабораторная работа № 83 Изучение строения и
Принципа работы полупроводникового диода.…………………..66
8. Лабораторная работа № 84 Изучение работы
транзистора………………………………………………………….74
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ №14 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА » Мир учителя
ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ №14
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель занятия: ознакомление с основными свойствами выпрямительных диодов и стабилитронов по вольтамперным характеристикам (ВАХ).
Перечень приборов.
1. Лабораторный стенд.
Блок №1.
Соединительные провода.
Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 457-489; 3) стр. 21- 43.
Контрольные вопросы.
1. В чем заключается основное свойство выпрямительного диода?
2. По каким параметрам выбираются диоды в схемах?
3. Объясните выпрямляющее действие диода.
4. Приведите основные параметры выпрямительного диода. 5. Как влияет температура на диод?
Краткие теоретические сведения.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью металлических проводников является наличие свободных электронов, являющихся носителями электрических зарядов. В диэлектриках свободных электронов нет и поэтому они не проводят тока.
В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического поля и других факторов.
Химическую связь двух соседних атомов с образованием на однрй орбите общей пары электронов (рис.1,а) называют ковалентной или парноэлектронной и условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны ,(рис.1,6). Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева и имеет на высшей орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами (рис.1,в). При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле германия взаимно связаны и свободных электронов нет, так что германий не обладает проводимостью. При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Уже при комнатной температуре под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются и в кристалле возникает электрический ток. Электропроводность, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной проводимостью полупроводника или п-проводимостью. При появлении свободных электронов, в ковалентных связях образуется свободное не заполненное электроном (вакантное) место — «электронная дырка». Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный положительный заряд. При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон и т. д. Схема образования и заполнения дырки условно показана на рис.2. В установленной наклонно подставке имеется четыре отверстия (дырки), в которых расположено четыре шара (электрона). Если шар / сместится вправо, то он освободит отверстие (дырку) иупадет с подставки, а в отверстие, которое занимал этот шар, переместится шар 2. Свободное отверстие (дырку) шара 2 займет шар 3, а отверстие последнего — шар 4.
Перемещение дырок подобно перемещению положительных зарядов и называется дырочной электропроводностью. Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов. Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной проводимостью, или р-проводимостью.
Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс — рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи. При определенной температуре число свободных электронов и дырок в единице объема полупроводника в среднем. остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается, т. е. полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью.
Свойства полупроводника в сильной степени изменяются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в, кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом пятивалентного вещества (мышьяка, сурьмы, фосфора) четыре электрона этого вещества образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон окажется свободным (рис3.,а), а поэтому такая примесь увеличивает электронную проводимость (п-проводимость) и называется донорной. При замещении атома германия атомом трехвалентного вещества (индий, галлий, алюминий) его электроны вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвертого электрона (рис.3,6).
Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Последовательное заполнение свободной связи эквивалентно движению дырок. Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника вызывают преобладание дырочной проводимости и называются акцепторными.
Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике и электроны в п-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой — с дырочной (р-типа, рис.4,а). В результате большой концентрации электронов в полупроводнике п они будут диффундировать из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго р-типа полупроводника в первый п-типа. В тонком пограничном слое полупроводника п-типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р- типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп , которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим или р-п-переходом.
Вследствие теплового движения в элсктрическое поле р—п-перехода попадают неосновные носители зарядов (электроны из р-области и дырки из п-области). Движениенеосновных носителей зарядов под действием сил поля р-п-перехода направлено встречно диффузионному току основных носителей и называется дрейфовым или тепловым током, зависящим в сильной степени от температуры. При отсутствии внешнего электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через р—п-переход равен нулю.
Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника n-типа, а отрицательный зажим — с электродом полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле Ев направленное согласно с полем Еп р-п-перехода, усиливающее его (рис.4,6.). Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой, и через диод пройдет малый обратный токIобр, обусловленный неосновными носителями заряда. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеличиваясь с ее повышением.
При изменении полярности источника питания (рис.4,в) внешнее электрическое поле Евокажется направленным встречному полю р-п-перехода Еп и под действием этого поля электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потенциальный барьер и сопротивление переходного слоя. Таким образом, в цепи устанавливается прямой ток Iпр который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания U.
На рис.5 показана вольт-амперная характеристика германиевого диода и его условное обозначение. Для большей наглядности прямая ветвь (правая часть графика) и обратная ветвь (левая часть графика) характеристики изображены в различных масштабах. Характеристика показывает, что при небольшом прямом напряжении Uпр= 1В на зажимах диода в его цепи проходит относительно большой ток, а при значительных обратных напряжениях Uобрток Iобр ничтожно мал.
Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, т. е. является электрическим вентилем.
Промышленность производит электрические вентили: германиевые, кремниевые, селеновые и медно-закисные. Германиевые и кремниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плоскостные. У точечного германиевого диода (рис.6, а) помещен кристалл германия 5 с электронной проводимостью, в который острием входит контактный пружинящий вывод анода 3. Под контактным острием в результате специальной термической обработки создается область с дырочной проводимостью. В плоскостном германиевом диоде (рис.6 б) на пластину германия 5 с электронной проводимостью накладывается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что ее атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью. На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-п-переход. Как в точечном, так и в плоскостном диоде германий 5 припоем 4 укреплен на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода (нижний) 7. Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический корпус 2 сварен с кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором /.
Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно: более высокой предельной температурой, значительно меньшим обратным током, более высоким пробивным напряжением. Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше, чем германиевого.
Селеновый вентиль состоит из алюминиевого диска, с одной стороны покрытого слоем кристаллического селена, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом является нанесенный на селен слой сплава кадмия и олова, при диффузии из которого атомов кадмия в селен образуется слой, обладающий электронной проводимостью. Селеновые вентили имеют значительно меньшие обратные напряжения (до 60В) и плотности тока (0,1—0,2 А/см2), чем германиевые и кремниевые, так что их габариты и масса значительно больше. Однако характеристики селеновых вентилей более стабильны, что позволяет соединять их последовательно и параллельно для увеличения обратных напряжений и прямыхтоков. Кроме того, селеновые вентили обладают свойством самовосстановления, которое сводится к следующему: если через пробитую шайбу пропустить большой ток, то селен нагревается и плавится, закрывая место пробоя и восстанавливая вентильное свойство диода.
Медно-закисный вентиль состоит из медного диска со слоем оксида меди (I), к которому прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск с латунным радиатором большого диаметра. Слой оксида меди (I) образуется при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой оксида меди (I), полученный при избытке кислорода, обладает дырочной проводимостью, а слой оксида, полученного при недостатке кислорода, — электронной проводимостью. Между этими двумя слоями возникает р-п-переход.
Медно-закисные вентили имеют низкие обратные напряжения (10В) и плотности тока (0,1 А/см2) и в преобразовательных устройствах не используются. Их применение ограничено измерительными приборами, имеющими стабильную характеристику.
Проверка знаний.
1.Каковы свободные носители зарядов в кристаллах кремния с донорной и акцепторной примесями?
1.В обоих кристаллах кремния — электроны.
2. В кристаллах кремния с донорной примесью — дырки, с акцепторной — электроны.
3. В кристаллах кремния с донорной примесью — электроны; с акцепторной — дырки.
2.Чем объясняется нелинейность вольт-амперной характеристики р—п-перехода (рис.7.) 1.Дефектами кристаллической структуры.
2 Вентильными свойствами.
3.Собственным сопротивлением полупроводника.
3. На диоде марки Д312 при изменении прямого напряжения от 0,2 до 0,4 В прямой ток увеличивается от 3 до 16 мА. Каково дифференциальное сопротивление этого диода?
Л/Р: Изучение выпрямляющего действия электронно-дырочного перехода
11.1 Цель работы
Изучение свойств p-n-перехода, снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода и экспериментальная проверка выпрямляющих свойств диода.
11.2 Содержание работы
Полупроводники – это широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, промежуточными между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры [1,2].
Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний. Они образуют решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами [2, 3]. Условно та-кое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 11.1, а. Кружки со знаком «+» обозначают положительно заряженные атомные остатки (т.е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки сплошные – валентные электроны, двойные линии – ковалентные связи.
При нагревании ковалентные связи могут разрываться. Электрон, потерявший связь с атомом, становится свободным. Покинутое электроном место пере-стает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд, т.е. образуется дырка (на рис. 11.1, а она изображена маленьким кружком). На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает так же странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.
Когда внешнее электрическое поле отсутствует, электроны проводимости и дырки двигаются хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов – против поля и дырок – в направлении поля, в результате происходит перенос заряда вдоль кристалла. Такая электропроводность полупроводников называется собственной (число электронов равно числу дырок).
С точки зрения зонной теории твердых тел у химически чистых полупроводников при абсолютном нуле все уровни валентной зоны В (рис. 11.1, б) полностью заполнены электронами, а в зоне проводимости П электроны отсутствуют. Валентная зона В отделена от зоны проводимости запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны ∆Е у полупроводников с собственной проводимостью не более 1 эВ [3], тем не менее электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, поэтому при абсолютном нуле такие полу-проводники ведут себя как идеальные диэлектрики.
При нагревании или облучении полупроводника электронам верхних уровней валентной зоны сообщается дополнительная энергия – энергия активации ∆Е, и они могут переходить на нижние уровни зоны проводимости (рис. 11.1, в). При этом в валентной зоне освобождаются энергетические уровни – образуются дырки. При наложении внешнего электрического поля электроны зоны проводимости переводятся на более высокие, а дырки валентной зоны на более низкие энергетические уровни. Электропроводность полупроводника становится отличной от нуля.
Наибольшее техническое применение находят полупроводники с примесной проводимостью. Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.
На 11.2(а) условно изображена решетка германия с примесью пятивалентных атомов фосфора.
Для образования ковалентной связи с соседями атому фосфора недостаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон связан только со своим атомом. Энергия активации такого электрона ∆Eg невелика (∆Eg ~ 0,01 эВ). При небольшом повышении температуры электрон отщепляется от атома и становится свободным. Эти электроны и обуславливают перенос заря-да при наложении внешнего электрического поля. Это полупроводник с электронной проводимостью (полупроводник n-типа).
В отличие от собственной проводимости образование свободного электрона в полупроводнике n-типа не сопровождается нарушением ковалентных связей, т.е. образованием дырки, хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может [2, 3].
С точки зрения зонной теории внедрение в решетку атомов с большей валентностью соответствует появлению локальных донорных уровней, которые располагаются вблизи дна зоны проводимости (см. рис. 11.2, б). Поскольку ∆Eg < ∆E, то уже при небольшом повышении температуры электроны с донорных уровней начнут переходить в зону проводимости (см. рис. 11.2, в), так что при комнатной температуре они практически все будут находиться в зоне проводимости.
Если валентность атома на единицу меньше валентности основных атомов, то одна из ковалентных связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон (см. рис. 11.3, а). При переходе на это место электроны одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Это полупроводник с дырочной проводимостью (полупроводник p-типа).
С точки зрения зонной теории внедрение в решетку атома с меньшей валентностью соответствует появлению локальных акцепторных уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны (см. рис. 11.3, б), в валентной зоне появляются дырки. Таким образом, примесная проводимость обусловлена электрона-ми в случае донорной примеси и дырками в случае акцепторной. Эти носители являются основными. Кроме них полупроводник содержит неосновные носители: электронный полупроводник – дырки, дырочный полупроводник – электроны. Концентрация их значительно ниже концентрации основных носителей.
Если в одну часть полупроводника ввести акцепторную примесь, а в другую – донорную, то первая часть будет иметь дырочную (p-типа), а вторая – электронную (n-типа) проводимость. Тонкий слой на границе между этими полупроводниками с разным типом примесной проводимости, называется электронно-дырочным переходом или просто p-n-переходом.
Диффузия основных носителей из p-области в n-область и наоборот приводит к рекомбинации (т.е. нейтрализации) электронов и дырок, вследствие чего по-граничный слой оказывается сильно обедненным носителями тока и, следовательно, приобретает большое сопротивление. Протяженность этого слоя ~ 10–5 -10–6см, т.е. намного превышает размеры атомов [5]. Одновременно в граничном слое n-полупроводника, потерявшем часть своих электронов, образуется объемный положительный заряд ионизированных донорных атомов: в граничном слое p-полупроводника, получившем эти электроны, образуется объемный отрицательный заряд неподвижных атомов акцепторной примеси. Между этими слоями возникает контактная разность потенциалов ∆φ = φ2 – φ1, препятствующая дальнейшей диффузии основных носителей (рис. 11.4).
С точки зрения зонной теории основные носители диффундируют до тех пор, пока не произойдет выравнивание уровней Ферми EF, расположенных соответственно в нижней и верхней половинах запрещенных зон у акцепторного (см. рис. 11.3, в) и донорного (см. рис. 11.2, в) полупроводников. Энергетические зоны при этом изгибаются (см. рис. 11.5), образуя потенциальный барьер e∆φ для основных носителей.
Изгибание энергетических зон вызвано тем, что потенциал p-области в со-стоянии равновесия ниже, чем потенциал n-области (см. рис. 11.4), соответствен-но потенциальная энергия электрона Eэ в р-области выше, чем в n-области (см. рис. 11.5 и сплошную кривую на рис. 11.6, а). Заряд дырок противоположен заряду электрона, поэтому их потенциальная энергия Eд больше там, где меньше Eэ (см. рис. 11.6, а).
В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток Iосн. Этот ток компенсируется встречным током носителей неосновных носителей Iнеосн. Неосновных носителей очень мало, но они легко «скатываются» с потенциального уступа. Равновесие устанавливается при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока компенсируют друг друга.
Сопротивление p-n-перехода резко меняется при приложении к нему внеш-него электрического поля. Если к p-n-переходу приложить напряжение Uист от внешнего источника тока таким образом, чтобы p-область заряжалась положительно относительно n-области (рис. 11.6, б), то высота потенциального барьера (и его ширина ∆x) уменьшится на eUист. Это приведет к увеличению силы тока основных носителей Iосн. Ток же неосновных носителей от высоты потенциального барьера не зависит и следовательно не изменится. В результате через контакт идет ток (Iосн – Iнеосн), направленный от p к n. Причем сила тока с увеличением напряжения экспоненциально возрастает. Такое направление поля (и тока) называется прямым или проводящим.
Если же к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, как показано на рис. 11.6, в, то высота потенциального барьера (и его ширина) увеличится, сопротивление контактного слоя резко возрастает. Сила тока Iосн уменьшится при этом практически до нуля, так что через контакт будет течь лишь ток неосновных носителей. Такое направление поля (и тока) называется обратным, или запирающим.
Таким образом, элемент, содержащий p-n-переход, обладает односторонней проводимостью и называется полупроводниковым диодом. Прикладывая к такому элементу переменное по знаку напряжение, получают ток только одного направления.
Изучению свойств p-n-перехода и посвящена данная работа, которая состоит из двух частей. В первой части работы строится и анализируется вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) полупроводникового диода. Во второй части изучается применение диодов для выпрямления переменного тока.
11.3. Описание лабораторной установки
Для получения вольтамперной характеристики диод включается в электрическую цепь, принципиальная схема которой приведена на рис. 11.7.
От стабилизирующего источника питания напряжение подается на диод VD. Схема 11.7, а относится к измерениям в прямом направлении, а схема 11.7, б – в обратном. Переход от одной схемы к другой осуществляется с помощью пере-ключателя SA, который на рисунке 11.7 не изображен. Напряжение в обоих слу-чаях регулируется потенциометром RP и измеряется вольтметром V. При прямом направлении тока в цепь включается миллиамперметр μA (рис. 11.7, а), при об-ратном – микроамперметр µА (рис.11.7, б). Для этих измерений используются амперметры, рассчитанные на измерение токов до 100 мА в прямом и до 100 мкА -в обратном направлениях. Измеряемое напряжение не превышает 10 В. Подключение соответствующих шунтов и дополнительных сопротивлений в каждом исследовании осуществляется автоматически.
Выпрямляющее действие диода изучается по схеме, приведенной на рис. 11.8.
Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора блока питания подается на диод или систему диодов, соединенных по схеме моста или непосредственно прикладывается к резистору R (рис. 11.8).
Форма и амплитуда этого напряжения регистрируется осциллографом.
Включение диода или систем диодов осуществляется переключателем S. (Положение S1 переключателя соответствует подача напряжения непосредственно на резистор, S2 – подача напряжения на резистор с диода, S3 – подача напряжения на резистор с системы диодов, соединенных по схеме моста).
Конденсаторы С1 и С2, а так же дроссель L образуют электрический фильтр. Включение их осуществляется соответственно тумблерами SA2, SA3, SA4.
В работе электрические цепи, схемы которых приведены на рис. 11.7 и 11.8, собраны соответственно в верхней и нижней части корпуса лабораторной установки. Переход от одной схемы к другой осуществляется с помощью тумблера SA1, который на рисунках не указан. Все ручки управления и шкалы приборов расположены на лицевой панели установки.
11.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов 11.4.1. Методика эксперимента
Подавая на диод VD напряжение (см. рис. 11.7) и плавно меняя его потенциометром RP, измеряют силу тока при различных значениях приложенного прямого, а затем обратного напряжений. По полученным значениям строят график вольтамперной характеристики.
Так как сопротивление p-n-перехода гораздо больше сопротивления остальной части цепи, то падение напряжения внешнего поля происходит в основном на p-n-переходе [4]. Это обстоятельство позволяет рассчитать сопротивление p-n-перехода при различных значениях прямого и обратного напряжений и построить соответствующие графики зависимостей сопротивления от напряжения.
Поскольку вольтамперная характеристика нелинейна, то сопротивление рассчитывается по формуле
R = ΔU / ΔI
(11.1)
где ∆U и ∆I – соответственно разности между двумя ближайшими измеренными значениями напряжений и силы токов.
В электрической цепи, схема которой приведена на рис. 11.8, диод работает как выпрямитель и преобразует переменный ток в пульсирующий. Причем, если в цепь включается один диод, то происходит однополупериодное выпрямление, а если диоды включаются по схеме моста, то двухполупериодное.
Введение в электрическую цепь конденсаторов С1 и С2 приводит соответственно к уменьшению выпрямленного тока при зарядке конденсаторов и к увеличению тока при разрядке, т.е. к сглаживанию пульсаций. Дроссельная катушка L также сглаживает пульсации переменной составляющей общего тока. Соответствующие осциллограммы наблюдаются на экране осциллографа.
11.4.2. Порядок выполнения работы 11.4.2.1. Снятие вольтамперной характеристики
Найдите на лицевой панели установки все элементы электрических схем, изображенных на рис. 11.7 и 11.8.
Включите электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 11.7, а, для чего тумблер SA1 поставьте в верхнее положение, а тумблер SA в положение «прямое». При этом вольтметр работает в диапазоне 0 – 10 В, а миллиамперметр – в диапазоне 0 – 100 мА.
Определите цену деления измерительных приборов и запишите в табл. 11.1.
Уменьшите сопротивление потенциометра RP до нуля.
Подайте напряжение на вход прибора.
С помощью потенциометра RP плавно увеличивайте напряжение и вначале через каждое деление, а затем через 2-3 деления вольтметра измеряйте силу тока. Результаты 13-15 измерений занесите в таблицу 11.2.
Тумблер SA поставьте в положение «обратное». При этом микроамперметр работает в диапазоне 0-100 мкА, вольтметр – в диапазоне 0-10 В.
Определите цену деления микроамперметра и вольтметра и запишите в табл. 11.1.
Повторите задание пп. 4 и 6. Результаты измерений запишите в табл. 11.3.
11.4.2.2. Проверка выпрямляющих свойств диода
Подготовьте осциллограф к работе в соответствии с указаниями на лабораторном столе.
Переключите тумблер SA1 в нижнее положение.
Переключатель S переведите в положение S1.
Включите осциллограф и получите на экране осциллограмму переменного напряжения. Ручками «частота плавно» и «синхронизация» остановите изображе-ние сигнала. Расположите его симметрично относительно горизонтальной оси времени (амплитуда сигнала при этом должна быть не менее 25-30 мм) и зарисуй-те осциллограмму.
Введите в цепь диод, для чего переключатель S переведите в положение S2. При этом на экране осциллографа будет наблюдаться синусоида со срезанными отрицательными (нижними) полупериодами.
Зарисуйте преобразованный сигнал, предварительно расположив его таким образом, чтобы значение первоначальной амплитуды сохранилось.
Введите в цепь мостик диодов, для чего переключатель переведите в положение S3. Зарисуйте осциллограмму двухполупериодного выпрямления.
Введите в цепь конденсатор C1, включив тумблер SA2 (см. рис. 11.8), и за-рисуйте осциллограмму.
Введите в цепь дополнительно конденсатор С2, включив тумблер SA3 (см. рис. 11.8), и зарисуйте осциллограмму.
Введите в цепь катушку индуктивности, поставьте тумблер SA4 в нижнее положение (в схеме, изображенной на рис. 11.8, это соответствует размыканию ключа, поставленного параллельно катушке индуктивности). Полученную диаграмму зарисуйте.
Закончив работу, обесточьте установку.
11.4.3. Обработка результатов измерений
Постройте по данным табл. 11.2 и 11.3 график зависимости I = ƒ(U). При по-строении графика силу тока и напряжение следует откладывать на одной координатной сетке, считая прямой ток и напряжение положительными, а обратный ток и напряжение – отрицательными (масштаб для силы тока в прямом и обратном направлениях возьмите разный).
Проанализируйте характер зависимости I = ƒ(U) и сделайте вывод, справедлив ли закон Ома для системы, содержащий p-n-переход.
Определите ∆U и ∆I – разность между последующим и предыдущим значениями напряжений и токов и запишите в соответствующие столбцы таб. 11.2 и 11.3.
Рассчитайте сопротивление диода по формуле 11.1 и запишите в табл. 11.2 и 11.3.
Постройте график зависимости R = ƒ(U) для прямого и обратного напряже-ний и проанализируйте эти зависимости.
11.5. Перечень контрольных вопросов
Объясните механизм собственной и примесной проводимости в полупроводниках с точки зрения теории твердого тела.
Что является «основными» и «неосновными» носителями тока в полупроводниках n- и p-типа?
Объясните механизм образования контактной разности потенциалов в полупроводниках с точки зрения зонной теории твердого тела.
Объясните, как изменяется высота потенциального барьера при приложении внешнего прямого и обратного напряжений.
Как работает одно- и двухполупериодный выпрямитель?
Объясните принцип работы электрических фильтров.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983. – 928 с.
Савельев И. В. Курс общей физики. т. 3. М.: Наука, 1982.- § 57 – 59, 64.
Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1977. – § 43.4, 44.3, 44.4.
Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977. – § 42-46, 56, 57, 76.
Лабораторные занятия по физике. /Под ред. Л. Л. Гольдина. М.: Наука, 1983. – 704 с.
Выпрямительный диод
: функция и схема
Выпрямительный диод
— это полупроводниковое устройство, используемое для преобразования переменного тока в постоянный. Он имеет очевидную однонаправленную проводимость и может быть изготовлен из таких материалов, как полупроводниковый германий или кремний. Эта статья дает вам краткое введение в выпрямительные диоды.
Каталог
Выбор выпрямительного диода
Выпрямительные диоды обычно представляют собой планарные кремниевые диоды , которые используются в различных схемах выпрямителя мощности.
При выборе выпрямительного диода следует учитывать такие параметры, как его максимальный ток выпрямителя, максимальный обратный рабочий ток, частота среза и время обратного восстановления.
Выпрямительный диод, используемый в схеме последовательного стабилизированного питания, не имеет высоких требований к времени обратного восстановления частоты среза. Пока максимальный ток выпрямления и максимальный обратный рабочий ток соответствуют требованиям схемы, выбирается выпрямительный диод.Например, серия 1N, серия 2CZ, серия RLR и т.д. более высокая рабочая частота и более короткое время обратного восстановления (например, серия RU, серия EU, серия V, серия 1SR и т. д.). Или мы можем выбрать диод с быстрым восстановлением или выпрямительный диод Шоттки.
II Параметры выпрямительного диода
1.Максимальный a средний r ectified c urrent IF : максимальный прямой средний ток, допустимый для длительной работы.
Ток определяется площадью перехода и условиями рассеивания тепла PN-переходом. Средний ток через диод не может быть больше этого значения и должен соответствовать условиям рассеивания тепла. Например, ПЧ выпрямленного диода серии 1N4000 составляет 1 А.
2. Максимальное рабочее r everse v oltage VR : максимально допустимое обратное напряжение, подаваемое на диод. Если это значение будет превышено, обратный ток (IR) резко возрастет и однонаправленная проводимость диода будет нарушена, что приведет к обратному пробою.
Обычно половину напряжения обратного пробоя (VB) принимают за (VR). Например:
Параметр
1N4001
1N4002
1N4003
1N4004
1N4004
1N4007
03
VR
50V
100V
200V
400V
600V
800V
76
800V
76
Максимальный обратный ток IR : обратный ток, протекающий через диод при самом высоком обратном рабочем напряжении. Этот параметр отражает однонаправленную проводимость диода. Следовательно, чем меньше значение тока, тем лучше качество диода.
4. Напряжение пробоя VB : значение выпрямителя напряжения в точке резкого изгиба обратной вольт-амперной характеристики диода. Когда обратная характеристика является мягкой, она относится к значению напряжения при заданном обратном токе утечки.
5. Максимальная рабочая частота fm : максимальная рабочая частота диода при нормальных условиях. Это в основном определяется емкостью перехода и диффузионной емкостью PN перехода. Если рабочая частота превышает fm, однонаправленная проводимость диода не будет хорошо отражена.
Например, fm диода серии 1N4000 составляет 3 кГц. Кроме того, диоды с быстрым восстановлением используются для выпрямления высокочастотных переменных токов, например, в импульсных источниках питания.
6. Время обратного восстановления trr : относится к времени обратного восстановления при указанной нагрузке, прямом токе и максимальном обратном переходном напряжении.
7. Емкость нулевого смещения ance CO : сумма диффузионной емкости и емкости перехода при нулевом напряжении на диоде.
Из-за ограничений производственного процесса даже у однотипных диодов их параметры имеют большой разброс. Параметры, приведенные в руководстве, часто находятся в пределах допустимого диапазона.При изменении условий испытаний изменятся и соответствующие параметры.
Например, IR выпрямительного диода серии 1N5200 с кремниевым пластиковым уплотнением при 25 ° C составляет менее 10 мкА, а при 100 ° C становится менее 500 мкА.
III Причина повреждения
1. Неадекватная молниезащита и защита от перенапряжения . Даже при наличии молниезащиты и устройств защиты от перенапряжения при ненадежной работе выпрямительный диод выходит из строя из-за ударов молнии или перенапряжения.
2. Плохие условия эксплуатации. В генераторной установке непрямого действия, поскольку расчет передаточного числа неверен или соотношение диаметров двух ременных шкивов не соответствует требованиям передаточного отношения, генератор работает на высокой скорости в течение длительного времени. Также выпрямитель долгое время работает при более высоком напряжении, ускоряя старение и вызывая пробой.
3. Плохое оперативное управление . Операторы безответственны и не понимают изменений внешней нагрузки (особенно между полуночью и 6 часами утра следующего дня).Или на улице произошел сбой нагрузки, и оператор вовремя не принял меры. Это вызовет перенапряжение, а выпрямительный диод выйдет из строя и повредится.
4. Неправильная установка или изготовление . Поскольку генераторная установка долгое время работала в условиях сильной вибрации, выпрямительный диод также находится под воздействием этих помех. Кроме того, генераторная установка работает неравномерно, поэтому рабочее напряжение выпрямительного диода также колеблется.Это значительно ускоряет старение и повреждение выпрямительного диода.
5. Неправильные характеристики и модели диодов . Если параметры замененного выпрямительного диода не соответствуют требованиям, либо выполнена неправильная проводка, выпрямительный диод выйдет из строя и выйдет из строя.
6. Запас прочности выпрямительного диода слишком мал . Запас безопасности выпрямительного диода по перенапряжению и перегрузке по току слишком мал, поэтому он не может выдерживать пиковые атаки в цепи возбуждения.
IV Что делает выпрямитель?
Выпрямительный диод имеет явную однонаправленную проводимость. Он может быть изготовлен из таких материалов, как полупроводник , германий или кремний. Функция выпрямительного диода заключается в использовании однонаправленной проводимости PN-перехода для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток. Итак, каковы основные функции выпрямительного диода? Ниже приводится подробное введение:
1. Прямая характеристика
Самая заметная особенность выпрямительного диода — его прямая характеристика.Когда прямое напряжение подается на выпрямительный диод, начальная часть прямого напряжения очень мала, и она не может эффективно преодолеть блокирующий эффект электрического поля в PN-переходе.
Когда прямой ток почти равен нулю, прямое напряжение не может проводить диод, что называется напряжением мертвой зоны .
Когда прямое напряжение больше, чем напряжение мертвой зоны, электрическое поле эффективно преодолевается, выпрямительный диод включается, и ток быстро растет по мере увеличения напряжения.В нормальном диапазоне токов напряжение на выводах выпрямительного диода практически не меняется при его включении.
Рисунок 2. Прямые и обратные характеристики выпрямителя
2. Обратные характеристики
Когда обратное напряжение, приложенное к диоду выпрямителя, не превышает определенного диапазона, обратный ток формируется дрейфом миноритарных перевозчиков. Поскольку обратный ток очень мал, выпрямительный диод выключен.
На ток обратного насыщения выпрямительного диода влияет температура. Как правило, обратный ток кремниевых выпрямительных диодов намного меньше, чем обратный ток германиевых выпрямительных диодов. Ток обратного насыщения маломощных кремниевых выпрямительных диодов составляет порядка нА, а маломощных германиевых выпрямительных диодов — порядка мкА.
Когда температура выпрямительного диода увеличивается, полупроводник возбуждается, и количество неосновных носителей увеличивается.
3. Обратный пробой
Обратный пробой выпрямительного диода делится на два типа: Зенера и лавинный пробой .
При высокой концентрации легирования из-за малой ширины барьерной области обратное напряжение разрушит структуру ковалентной связи, поэтому электроны оторвутся от ковалентной связи, и будут генерироваться электронные дырки. Это называется пробоем Зенера.
Другой вид поломки — лавинный.По мере увеличения обратного напряжения выпрямительного диода внешнее электрическое поле будет увеличивать скорость дрейфа электронов, поэтому валентные электроны будут сталкиваться друг с другом из ковалентной связи, создавая новые электронно-дырочные пары.
Рис. 3. Пробой стабилитрона и лавинный пробой
В Что такое схема выпрямителя?
Схема выпрямителя предназначена для преобразования переменного тока в постоянный.Как правило, он состоит из трансформатора, схемы главного выпрямителя и схемы фильтра. Если вы хотите получить постоянное значение напряжения, вам нужно добавить схему регулятора напряжения. Здесь мы поговорим только об основной схеме выпрямителя.
1. Схема однополупериодного выпрямителя
Структура этой схемы однополупериодного выпрямителя очень проста. Основным компонентом является диод, как показано на схеме ниже.
Вход 220 В представляет собой синусоидальный переменный ток. Он проходит через трансформатор и уменьшается после трансформатора, но в конечном итоге это все еще синусоидальный сигнал переменного тока.
Типичная особенность диодов — однонаправленная проводимость . Если напряжение на аноде диода больше напряжения на катоде диода, диод будет включен. В противном случае диод погаснет.
На следующем рисунке показан этот процесс.На рисунке а показан выход переменного тока трансформатора. Когда выходное напряжение находится в положительном полупериоде, напряжение в точке a выше, чем напряжение в точке b, и диод включается. А напряжение на нагрузке RL примерно равно выходному напряжению трансформатора.
Когда выходное напряжение находится в отрицательном полупериоде, напряжение в точке b выше, чем напряжение в точке a, тогда диод будет отключен. Соответствующий ток не может течь к нагрузке, поэтому половина цикла отсутствует на рисунке b.
Рисунок 5. Схема однополупериодного выпрямителя Форма волны до и после фильтрации
2. Схема двухполупериодного выпрямителя
Поскольку полупериод теряется при полуволновом выпрямлении, эффективность ограничена. Двухполупериодный мостовой выпрямитель может решить эту проблему.
По сравнению с однополупериодным выпрямлением, при двухполупериодном выпрямлении используется еще один диод. Однако трансформатор здесь с центральной осью , который использует однонаправленную проводимость диода.
Давайте проанализируем этот принцип. Если переменный ток находится в положительном полупериоде, напряжение в точке a выше, чем напряжение в точке b, тогда диод D1 будет включен, а диод D2 будет отключен. Таким образом, ток будет течь только из точки a через диод D1 и резистор RL и, наконец, к центральной оси трансформатора.
Если переменный ток находится в отрицательном полупериоде, напряжение в точке b выше, чем напряжение в точке a, диод D2 будет включен, а диод D1 будет отключен.Таким образом, ток будет течь только из точки b и через диод D2 и резистор RL, наконец, к центральной оси трансформатора.
Повторение этих циклов приводит к фильтрации. На следующем рисунке показан сигнал до и после фильтрации.
Рис. 7. Форма сигнала двухполупериодной схемы выпрямителя до и после фильтрации
3. Схема мостового выпрямителя
Схема мостового выпрямителя сложнее двух предыдущих.Принципиальная схема выглядит следующим образом. Схема простого мостового выпрямителя состоит из трансформатора и главного выпрямительного моста , а также нагрузки .
Рисунок 8 . Мост Схема выпрямителя -1
Если выходной сигнал переменного тока находится в положительном полупериоде, в нормальных условиях ток течет в точку A, обращенную к диоду 2 и диоду 1.
Однако из-за высокого напряжения в точке А диод 1 находится в выключенном состоянии, а диод 2 во включенном состоянии. Таким образом, ток будет проходить через диод 2, затем течь из точки B и затем достигать точки D через нагрузку.
Рисунок 10 . Мост Схема схемы выпрямителя — 3
На первый взгляд, и диод 1, и диод 4 могут быть включены, но ток течет из точки А в мост выпрямителя, а затем через нагрузку.Напряжение будет уменьшаться после того, как ток пройдет через нагрузку, поэтому напряжение в точке D намного ниже, чем напряжение в точке A, и диод 4 включен, а диод 1 выключен. Наконец, ток течет в нижний конец трансформатора.
Рисунок 11. Схема схемы мостового выпрямителя-4
Когда напряжение на нижнем конце выше, чем напряжение на верхнем конце, ток достигает точки C.
Кроме того, поскольку напряжение в точке C высокое, диод 4 находится в выключенном состоянии, а диод 3 во включенном состоянии. Ток будет течь через диод 3 из точки B, а затем достигнет точки D через нагрузку.
Рисунок 13. Схема схемы мостового выпрямителя-6
Подобно положительному полупериоду, на первый взгляд, диод 1 и диод 4 могут быть включены. Но поскольку ток течет из точки C в выпрямительный мост, а затем через нагрузку, напряжение в точке D намного ниже, чем в точке C, поэтому диод 1 включен, а диод 4 выключен.Наконец, ток течет в верхнюю часть трансформатора.
Рисунок 14. Схема схемы мостового выпрямителя-7
Преимущества мостового выпрямления
По сравнению с двухполупериодным выпрямлением мостовое выпрямление имеет много преимуществ.
Для двухполупериодного выпрямления требуется трансформатор с центральной осью, а для мостового выпрямления этого требования нет.
Когда диод выключен, напряжение на двух концах диода мостового выпрямителя меньше половины напряжения двухполупериодного выпрямления.Так что требования к характеристикам мостового выпрямительного диода не так высоки.
VI Замена выпрямительного диода и Проверка 1. Замена
После повреждения выпрямительного диода его можно заменить на выпрямительный диод той же модели или другой модели с такими же параметрами.
Обычно выпрямительные диоды с высоким выдерживаемым напряжением (обратное напряжение) могут заменить выпрямительные диоды с низким выдерживаемым напряжением .А выпрямительные диоды с низким выдерживаемым напряжением не могут заменить диоды с высоким выдерживаемым напряжением.
Диод с большим током выпрямления может заменить диод с низким значением тока выпрямления, в то время как диод с низким значением тока выпрямления не может заменить диод с высоким значением тока выпрямления.
2. Как проверить мостовой выпрямитель
(1) Удалите из выпрямителя все диоды выпрямителя.
(2) Используйте диапазон мультиметра 100 × R или 1000 × R Ом для измерения двух выводных проводов выпрямительного диода.Затем поменяйте местами голову и хвост и попробуйте снова.
(3) Если значение сопротивления, измеренное дважды, сильно различается, это означает, что диод исправен (за исключением диодов с мягким пробоем).
Если дважды измеренное значение сопротивления мало и почти одинаково, это означает, что диод вышел из строя и его нельзя использовать.
Если значение сопротивления, измеренное дважды, бесконечно, это означает, что диод был отключен внутри и не может использоваться.
Рекомендуемые статьи:
Как работает фотодиод?
Что такое лавинные диоды?
Что такое лазерные диоды?
Как работает диодный выпрямитель — тестирование и низкое прямое падение напряжения в выпрямительном диоде
Введение:
Диодный выпрямитель — это полупроводниковое устройство, которое относится к «активным» электронным компонентам. Его основная функция — пропускать электрический ток только в одном направлении и блокировать его в другом.Это свойство также приводит к выпрямлению электрического тока при использовании источника переменного тока. Выпрямительный диод обычно узнаваем по его черному цвету и белому кольцу на одном из его концов, что сравнимо с цветовой кодировкой резистора, которую мы изучали в предыдущей статье. Его размер может отличаться в зависимости от его допустимой мощности. Его два конца с двумя выводами или клеммами, отсюда и название диод (что по-гречески означает двуногий).
Внутреннее описание:
Диод, как и все полупроводники, в основном состоит из чистого кремния (в настоящее время более популярного, чем германий).По своей природе кремний является плохим проводником электричества, поэтому путем добавления в него определенных примесей (легирования) в определенной степени достигается проводимость. Эти примеси могут быть положительными или отрицательными носителями заряда, известными как p-тип и n-тип соответственно.
В диоде кремний p-типа и n-типа сплавлены вместе, образуя переход, называемый pn переходом. При подключении к источнику напряжения этот переход будет ограничивать прохождение тока от n-типа к p-типу и позволит течь от p-типа к кремнию n-типа, только если напряжение больше 0.6 вольт. Это минимальное напряжение требуется в любом кремниевом полупроводнике для инициирования проводимости электронов и известно как прямое напряжение. Вывод p-типа диода называется анодом, а вывод n-типа называется катодом и обозначается кольцом или полосой на его корпусе.
Функции и использование:
В электронной схеме диод действует так же, как резиновый клапан в велосипедной шине. Клапан позволяет перекачиваемому воздуху поступать с одной стороны и блокирует с другой.Точно так же выпрямительный диод пропускает ток только в одном направлении. Таким образом, он используется в качестве защиты полярности в электронных схемах, чтобы избежать опасности случайного переключения напряжения питания.
Другой важной функцией выпрямительного диода является выпрямление, то есть преобразование переменного тока в постоянный. Напряжение переменного тока изменяется с положительного на отрицательное и наоборот несколько раз в секунду. В зависимости от подключения выпрямительный диод пропускает только положительный или отрицательный цикл и блокирует другой.Таким образом, результат будет либо чисто положительным, либо отрицательным. Это называется исправлением. Это свойство хорошо эксплуатируется и используется в источниках питания, адаптерах переменного / постоянного тока, зарядных устройствах и т. Д. Но важно знать, что для успешного выполнения описанной выше процедуры диода требуется минимальное входное напряжение на нем не менее 0,7 Вольт. выпрямление или, проще говоря, диоду требуется не менее 0,7 вольт, чтобы удовлетворительно инициировать проводимость электричества. Это называется низким прямым падением напряжения выпрямительного диода.
Тестирование:
Шаги, необходимые для тестирования диодного выпрямителя, следующие.
Возьмите цифровой мультиметр хорошего качества
Установите диапазон в положении диода
На дисплее вы должны увидеть 3 или бесконечное значение напряжения в зависимости от используемого мультиметра
Подключите красный зонд к катоду и черный зонд к аноду диода
На дисплее сразу же отобразится низкое прямое падение напряжения (выпрямительный диод) около 0.6 вольт
Теперь поменяйте местами соединения, дисплей вернется к исходным показаниям, показывая, что диод исправен
Если измеритель показывает любое другое показание, диод может иметь негерметичность или неисправен, а показание 0000 означает короткое замыкание
Ссылки
Руководство по кремниевому стабилитрону и выпрямителю: теория, конструкция, характеристики и применение , разработано Департаментом разработки приложений Motorola. (ASIN: B000ND8BXC)
Простой полуволновой выпрямитель — это не что иное, как диод с одним pn переходом, подключенный последовательно к нагрузочному резистору. Как вы знаете, диод относится к электрическому току, как односторонний клапан к воде, он позволяет электрическому току течь только в одном направлении.Это свойство диода очень полезно при создании простых выпрямителей, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный.
Если вы посмотрите на диаграмму выше, мы подаем переменный ток в качестве входа. Входное напряжение подается на понижающий трансформатор, а результирующее уменьшенное выходное напряжение трансформатора передается на диод «D» и нагрузочный резистор RL. Выходное напряжение измеряется на нагрузочном резисторе RL.
В рамках серии «Учебное пособие по базовой электронике» мы увидели, что выпрямление — это наиболее важное применение диода с PN переходом.Процесс выпрямления — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC).
Работа полуволнового выпрямителя
Проще говоря, полуволновой выпрямитель удаляет отрицательный полупериод переменного тока на входе и позволяет проходить только положительным циклам, создавая поток постоянного тока.
Чтобы понять работу полуволнового выпрямителя в совершенстве, вы должны хорошо знать теоретическую часть . Если вы плохо знакомы с концепцией PN-перехода и его характеристиками, я рекомендую вам сначала прочитать часть теории полуволнового выпрямителя.
Работа полуволнового выпрямителя довольно проста. С теоретической части вы должны знать, что диод с pn переходом проводит ток только в одном направлении. Другими словами, диод с pn переходом проводит ток только тогда, когда он смещен в прямом направлении. Тот же принцип используется в полуволновом выпрямителе для преобразования переменного тока в постоянный. Здесь вводится переменный ток. Это входное напряжение понижается с помощью трансформатора. Пониженное напряжение подается на диод «D» и сопротивление нагрузки RL.Во время положительных полупериодов входной волны диод «D» будет смещен в прямом направлении, а во время отрицательных полупериодов входной волны диод «D» будет смещен в обратном направлении. Возьмем выход через резистор нагрузки RL. Поскольку диод пропускает ток только в течение половины периода входной волны, мы получаем выходной сигнал, как показано на диаграмме. Выход является положительным и значительным во время положительных полупериодов входной волны. При этом выход равен нулю или незначителен во время отрицательных полупериодов входной волны.Это называется полуволновым выпрямлением .
Когда одиночный выпрямительный диодный блок включен последовательно с нагрузкой на источнике переменного тока, он преобразует переменное напряжение в однонаправленное пульсирующее напряжение, используя половину цикла приложенного напряжения, а другой полупериод подавляется, потому что он проводит только в одном направлении. Следовательно, если в цепи нет индуктивности или батареи, ток будет нулевым в течение половины времени.Это называется полуволновым выпрямлением . Как уже говорилось, диод — это электронное устройство, состоящее из двух элементов, известных как катод и анод. Поскольку в диоде электроны могут течь только в одном направлении , то есть от катода к аноду, диод обеспечивает одностороннюю проводимость, необходимую для выпрямления. Это справедливо для диодов всех типов — вакуумных, газонаполненных, кристаллических или полупроводниковых, металлических (типа оксида меди и селена) диодов. Полупроводниковые диоды, из-за присущих им преимуществ обычно используются в качестве выпрямительного устройства.Однако для очень высоких напряжений можно использовать вакуумные диоды.
Работа однополупериодного выпрямителя
Схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым диодом (D) с сопротивлением нагрузки R L , но без сглаживающего фильтра, на рисунке не показана. Диод включен последовательно с вторичной обмоткой трансформатора и сопротивлением нагрузки R L. Первичная обмотка трансформатора подключается к сети переменного тока.
Переменное напряжение на вторичной обмотке меняет полярность после каждого полупериода входной волны.Во время положительных полупериодов входного переменного напряжения , т.е. , когда верхний конец вторичной обмотки положителен по отношению к нижний конец диода смещен в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Если прямое сопротивление диода предполагается равным нулю (на практике, однако, существует небольшое сопротивление), входное напряжение во время положительных полупериодов прикладывается непосредственно к сопротивлению нагрузки R L , делая его верхний конец положительным. по его нижний конец. Формы сигналов выходного тока и выходного напряжения имеют ту же форму, что и входное переменное напряжение.
Во время отрицательных полупериодов входного переменного напряжения , т. Е. , когда нижний конец вторичной обмотки положительный по отношению к его верхний конец диод имеет обратное смещение и поэтому не проводит. Таким образом, во время отрицательных полупериодов входного переменного напряжения ток и напряжение на нагрузке остаются равными нулю. Обратный ток, будучи очень малым по величине, не учитывается. Таким образом, в течение отрицательных полупериодов питание на нагрузку не подается.
Таким образом, выходное напряжение (VL), возникающее на сопротивлении нагрузки R L , представляет собой серию положительных полупериодов переменного напряжения с промежуточными очень небольшими постоянными уровнями отрицательного напряжения. Из рисунка очевидно, что выход не является постоянным постоянным током. , но только пульсирующая волна постоянного тока.Чтобы сделать выходную волну гладкой и полезной в источнике питания постоянного тока, мы должны использовать фильтр поперек нагрузки. Поскольку используются только полупериоды входной волны, он называется полуволновым выпрямителем .
Теория полуволнового выпрямителя
Выпрямление — это применение диода с pn переходом. Полуволновой выпрямитель — это устройство, в котором используются основные свойства диода с pn переходом. Итак, чтобы понять основную теорию, лежащую в основе полуволнового выпрямителя, вам необходимо понять pn-переход и характеристики диода pn-перехода.Мы разработали две статьи, чтобы помочь вам понять их обе.
1) Понимание PN-перехода — Эта статья поможет вам понять pn-переход и основную теорию, лежащую в основе использования PN-перехода в качестве выпрямителя.
2) Характеристики диода с pn переходом — Эта статья поможет вам разобраться в характеристиках диода с pn переходом с помощью графиков. Вы можете понять поведение диода при различных уровнях напряжения и его проводимость.
Примечание: — За изобретением диода с PN переходом стоит интересная история . История вращается вокруг настойчивости молодого ученого из Bell Laboratories в США, г-на Рассела Ола. Из этой истории вы узнаете, как происходят великие изобретения и как некоторые яркие умы 1930-х годов, такие как Уолтер Браттейн (один из трех изобретателей транзисторов), работали вместе, чтобы воплотить в нашей жизни великие изобретения
Характеристики блока питания выпрямителя
Наиболее важными характеристиками, которые необходимо указать для источника питания, являются требуемое выходное постоянное напряжение, средний и пиковый токи в диоде, пиковое обратное напряжение (PIV) диода, регулирование и коэффициент пульсации.
Преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:
Однополупериодный выпрямитель на практике используется редко. Его никогда не используют в качестве источника питания аудиосхемы из-за очень высокого коэффициента пульсаций. Высокий коэффициент пульсации приведет к появлению шумов во входном аудиосигнале, что, в свою очередь, повлияет на качество звука.
Преимущество полуволнового выпрямителя только в том, что он дешев, прост и прост в изготовлении. Это дешево из-за небольшого количества задействованных компонентов.Просто благодаря прямолинейности схемотехники. Кроме того, у однополупериодного выпрямителя больше недостатков, чем достоинств!
Недостатки однополупериодного выпрямителя
1. Выходной ток в нагрузке содержит, помимо постоянной составляющей, составляющие переменного тока основной частоты, равной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций высок, поэтому для обеспечения стабильного выхода постоянного тока требуется сложная фильтрация.
2.Выходная мощность и, следовательно, эффективность выпрямления довольно низкие. Это связано с тем, что мощность подается только в течение половины цикла входного переменного напряжения.
3. Низкий коэффициент использования трансформатора.
4. Насыщение сердечника трансформатора постоянным током, приводящее к току намагничивания, гистерезисным потерям и генерации гармоник.
Выход постоянного тока от однополупериодного выпрямителя не подходит для обычного источника питания. Однако его можно использовать для некоторых приложений, например для зарядки аккумулятора.
Полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром
Выход полуволнового выпрямителя не является постоянным напряжением постоянного тока. Из выходной диаграммы видно, что это пульсирующее постоянное напряжение с пульсациями переменного тока. В реальных приложениях нам нужен источник питания с плавной формой волны. Другими словами, нам нужен источник питания постоянного тока с постоянным выходным напряжением. Постоянное выходное напряжение от источника постоянного тока очень важно, поскольку оно напрямую влияет на надежность электронного устройства, которое мы подключаем к источнику питания.
Мы можем сделать выход полуволнового выпрямителя плавным, используя фильтр (конденсаторный фильтр или индуктивный фильтр) на диоде. В некоторых случаях также используется резистивно-конденсаторный фильтр (RC). На схеме ниже показан полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром.
Полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром — принципиальная схема и форма выходного сигнала
Анализ полуволнового выпрямителя
Следующие параметры будут объяснены для анализа полуволнового выпрямителя: —
1. Пиковое обратное напряжение (PIV)
Пиковое обратное напряжение (PIV) диода важно на этапах его проектирования. Это максимальное напряжение, которое выпрямительный диод должен выдерживать в течение периода обратного смещения.
Когда диод смещен в обратном направлении, в течение отрицательного полупериода ток через нагрузочный резистор RL не протекает. Следовательно, на сопротивлении нагрузки RL не будет падения напряжения, которое приведет к появлению всего входного напряжения на диоде.Таким образом, V SMAX , пиковое вторичное напряжение, появляется на диоде. Следовательно,
Пиковое обратное напряжение (PIV) однополупериодного выпрямителя = В SMAX
2. Средние и пиковые токи в диоде
Если предположить, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора синусоидально пиковым значениям V SMAX , мгновенное значение напряжения, подаваемого на выпрямитель, можно записать как
Мгновенное значение напряжения, приложенного к полуволновому выпрямителю
Предполагая, что диод имеет прямое сопротивление ВЧ Ом и бесконечное значение обратного сопротивления, ток, протекающий через выходное сопротивление нагрузки RL, равен
.
Ток, протекающий через диод
I MAX = V SMAX / (R F + R L )
3. Выходной постоянный ток
Выходной постоянный ток равен
.
Выходной постоянный ток полуволнового выпрямителя
Подставив значение I MAX в уравнение I MAX = V SMAX / (R F + R L ), имеем
I пост. 4. Выходное напряжение постоянного тока
Значение постоянного напряжения на нагрузке равно
.
В постоянного тока = I постоянного тока R L = В SMAX / pi (R F + R L)
9014 В SMAX / {1 + R F / R L }
Если R L >> R F , V dc = V SMAX / pi
5. Среднеквадратичное значение тока
Действующее значение тока, протекающего через диод, равно
.
Среднеквадратичное значение тока, протекающего через диод в полуволновом выпрямителе 6. Среднеквадратичное значение выходного напряжения
Действующее значение напряжения на нагрузке равно
.
V Lrms = I rms R L = V SMAX R L /2 (R F 6 /2 (R F ) = V SMAX /2 {1 + R F / R L }
Если R L >> R F , V Lrms = V SMAX /2
7. Эффективность выпрямления
Эффективность выпрямления определяется как отношение выходной мощности к входной мощности переменного тока.
КПД, Ƞ = мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку / мощность переменного тока на входе от трансформатора = P dc / P ac
Мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку, P постоянного тока = I 2 постоянного тока R L = (I макс. л
Входная мощность переменного тока на трансформатор, P ac = мощность, рассеиваемая на диодном переходе + мощность, рассеиваемая на сопротивлении нагрузки R L
= I 2 среднеквадратическое значение R F + I 2 среднеквадратичное значение R L = {I 14 136 MAX R F + R L ]
Таким образом, эффективность выпрямления, Ƞ = P dc / P ac = {4/ 2 } [ R L / (R F + L ) ] = 0.406/ {1+ R F / R L }
Максимальный КПД, который может быть получен с помощью полуволнового выпрямителя, составляет 40,6%. Это получается, если пренебречь R F .
8. Коэффициент пульсации
Фактически, коэффициент пульсации является мерой оставшихся переменных компонентов на выходе выпрямителя с фильтром. Это отношение действующего значения составляющих переменного тока напряжения (или тока), присутствующих на выходе выпрямителя, к составляющей постоянного тока в выходном напряжении (или токе).
Действующее значение тока нагрузки равно
.
I 2 = I 2 постоянного тока + I 2 1 + I 2 2 + I 13 2 I 2 постоянного тока + I 2 ac
Где, I 1 , I 2 , I 4 и т. Д. — среднеквадратичные значения основной, второй, четвертой и т. Д. Гармоник и I 2 ac — это сумма квадратов среднеквадратичных значений компонентов переменного тока.
Итак, коэффициент пульсации, γ = I ac / I dc = I 2 — I 2 dc ) / I
0 dc6 (I = dc6 I = rms / I dc 2 ) -1} = K f 2 — 1)
Где K f — форм-фактор входного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя форм-фактор равен
.
K f = I среднеквадратичное значение / I среднее значение = (I макс / 2 ) / (I макс / pi) = pi / 2 = 1.57
В случае идеального источника питания выходное напряжение не должно зависеть от тока нагрузки, а регулировка в процентах должна быть равна нулю.
Применение полупериодного выпрямителя
Для построения источников постоянного тока используется любой выпрямитель.Практическое применение любого выпрямителя (будь то полуволновой или двухполупериодный) должно использоваться в качестве компонента в источниках питания постоянного тока. Полупериодный выпрямитель ничем не отличается от двухполупериодного выпрямителя в любом смысле. Для создания эффективного и бесперебойного источника питания постоянного тока всегда предпочтительнее двухполупериодный выпрямитель. Однако для приложений, в которых постоянное напряжение постоянного тока не очень важно, вы можете использовать блоки питания с полуволновым выпрямителем.
Переходный диод
PN в качестве выпрямителя
Процесс, в котором переменное напряжение или переменный ток преобразуется в постоянное напряжение или постоянный ток, известен как выпрямление .Устройство, используемое для этого процесса, называется выпрямителем . Переходный диод имеет свойство обеспечивать низкое сопротивление и пропускать ток через него в состоянии прямого смещения. Это свойство используется в процессе исправления.
Полупериодный выпрямитель:
Цепь, которая выпрямляет половину волны переменного тока, называется полуволновым выпрямителем.
На рис. Показана схема однополупериодного выпрямления. Переменный ток напряжение (Vs), подлежащее выпрямлению, получается на концах вторичной обмотки S 1 S 2 трансформатора.Конец P диода D подключен к S 1 вторичной обмотки трансформатора. N-конец диода подключен к другому концу S 2 вторичной обмотки трансформатора через сопротивление нагрузки R L . Выпрямленное выходное напряжение V dc появляется на сопротивлении нагрузки R L .
Во время положительного полупериода входного переменного тока напряжение V s , S 1 будет положительным, а диод смещен в прямом направлении и, следовательно, проводит.Следовательно, ток течет по цепи, и на R L возникает падение напряжения. Это дает выходное напряжение, как показано на рис.
Во время отрицательного полупериода входного переменного тока. напряжение (V s ), S 1 будет отрицательным, а диод D смещен в обратном направлении. Следовательно, диод не проводит. По цепи не течет ток, и падение напряжения на R L будет равно нулю. Следовательно, выходное напряжение не получается. Таким образом, соответствующий переменному входному сигналу получается однонаправленный пульсирующий выходной сигнал.
Коэффициент постоянного тока выходная мощность на переменный ток потребляемая мощность известна как КПД выпрямителя. КПД однополупериодного выпрямителя составляет примерно 40,6%.
Мостовой выпрямитель:
Мостовой выпрямитель показан на рис. В схеме используются четыре диода D 1 , D 2 , D 3 и D 4 , которые соединены в сеть. . Входные концы A и C сети соединены с концами вторичной обмотки S 1 и S 2 трансформатора.Выходные концы B и D подключены к сопротивлению нагрузки R L .
Во время полупериода положительного входа переменного тока напряжение, точка A положительна относительно C.
Диоды D 1 и D 3 смещены в прямом направлении и проводят, тогда как диоды D 2 и D 4 смещены в обратном направлении и не проводят . Следовательно, ток течет по S 1 ABDCS 2 через R L .
Во время отрицательного полупериода точка C положительна по отношению к A.
Диоды D 2 и D 4 смещены в прямом направлении и проводят; тогда как диоды D 1 и D 3 имеют обратное смещение и не проводят. Следовательно, ток течет по S 2 CBDAS 1 через R L .
Тот же процесс повторяется для последующих полупериодов. Видно, что ток течет через R L в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов входного переменного тока. сигналы.
Выходной сигнал, соответствующий входному сигналу, показан на рис.КПД мостового выпрямителя составляет примерно 81,2%.
PN-переход как выпрямитель
Основная электрическая характеристика P-N перехода заключается в том, что он способствует прохождению заряда в одном направлении, ограничивая поток в противоположном направлении, создавая выпрямляющее действие. Первоначально выпрямительные операции выполняли ламповые диоды. Но их заменили переходы P-N.
Хрустальное радио
Природные полупроводники в форме радиокристаллов или гален известны уже много лет.Радиоприемники на кристалле были очень популярны на заре радио. В радиодетекторе использовался в основном галенит, кристаллический минерал, который является естественной формой сульфида свинца — неметалла. Детектор преобразует сигнал переменного тока, принимаемый в антенну, в постоянный ток — свойство выпрямления — и демодулирует сигнал с амплитудной модуляцией. Теперь компонент с этим свойством называется диодом.
Galena имеет небольшую энергетическую щель — около 0,4 эВ — между валентной зоной и зоной проводимости.Галенит также имеет небольшое количество примесей, которые позволяют возбужденным электронам переходить в зону проводимости и проводить электричество. Радиостанции Galena для этого не нуждаются во внешнем источнике питания. Кристаллическое радио повлияло на мировую экспансию беспроводной связи в 20 веке.
Улучшенное понимание механизма проводимости позволило заменить эти примитивные формы выпрямления современными точно оптимизированными полупроводниками.
Эта статья будет посвящена p-n-переходам как первому примеру многих полупроводниковых устройств.
Выпрямительный переход P-N
P-N переход представляет собой выпрямительный диод, поскольку он имеет асимметричные характеристики тока / напряжения, позволяя току течь только в одном направлении. Примером может служить преобразование переменного тока в постоянный.
На рисунке 1 показана ВАХ кремниевого P-N перехода.
Рис. 1. ВАХ кремниевого p-n перехода.
P-N переход с обратным смещением
Обратное смещение возникает при подключении отрицательной клеммы батареи (постоянного тока) к стороне P-типа и положительной клеммы к стороне N-типа PN-перехода, что делает сторону N-типа более положительной, чем сторона P-типа. .На рис. 2 показана реакция носителей заряда на приложение потенциала обратного смещения.
Рис. 2. Распределение электронов и дырок при обратном смещении.
Полярность соединения заставляет дырки на стороне P-типа и электроны на стороне N-типа отходить от перехода, разделяя положительные и отрицательные заряды — поляризация — и делая большую область вокруг перехода свободной от подвижного заряда. перевозчики.
Область отрицательного заряда распространяется дальше влево от перехода, а область положительного заряда расширяется дальше вправо.
На самом деле, небольшой ток течет из-за небольшого количества пар дырка-электрон, генерируемых по всему кристаллу за счет тепловой энергии. Дырки, образованные на стороне N-типа, и электроны, созданные на стороне P-типа, будут перемещаться к переходу. Этот процесс генерирует обратный ток насыщения (IS), который увеличивается с температурой и не зависит от величины обратного смещения.Следовательно, обратное сопротивление перехода уменьшается с повышением температуры.
Обратный ток насыщения составляет порядка нескольких мкА, обычно в нА, за исключением мощных устройств. Он быстро достигает своего максимального уровня и существенно не меняется с увеличением потенциала обратного смещения — вот почему наступает период насыщения.
Другой способ объяснить механизм проводимости в обратном направлении — рассмотреть потенциальный барьер на переходе без приложенного напряжения (V0) и влияние использования потенциала V с обратным смещением.
Сторона N-типа увеличивает количество непокрытых положительных ионов в области истощения из-за большого количества свободных электронов, притягиваемых к положительной клемме батареи. Сторона P-типа увеличивает количество непокрытых отрицательных ионов в области истощения из-за большого количества отверстий, протянутых к отрицательной клемме батареи. Результатом является расширение области обеднения и более высокий барьер для преодоления основных носителей. Потенциал обратного смещения добавляет к напряжению барьера, увеличивая эффективное напряжение барьера до V0 + V.
Увеличенная высота барьера уменьшает поток основных носителей, количество дырок, диффундирующих в сторону n-типа, и количество электронов, диффундирующих в сторону P-типа. Дополнительная высота барьера не влияет на поток неосновных носителей заряда — электронов на стороне P-типа и дырок на стороне n-типа — поскольку они падают с холма.
Подводя итог, можно сказать, что диффузионный ток Id значительно снизился. Напряжения обратного смещения около одного вольта достаточно для отмены Id.Тогда ток через переход и внешнюю цепь будет током Is. Напомним, что это ток из-за дрейфа неосновных носителей заряда, генерируемых термически, через область обеднения, IS будет очень малым и сильно зависит от температуры.
На рисунке 3 показан символ выпрямителя (диода) с обратным направлением тока насыщения, а в левой половине рисунка 1 показана вольт-амперная характеристика в условиях обратного смещения.
Рисунок 3.Полярность обратного смещения и направление Is.
P-N переход с прямым смещением
Прямое смещение возникает при подключении положительной клеммы батареи к стороне P-типа и отрицательной клеммы к стороне N-типа соединения P-N, что делает сторону P-типа более положительной, чем сторона N-типа. На рис. 4 показана реакция носителей заряда на приложение смещенного в прямом направлении потенциала.
Рисунок 4.Распределение электронов и дырок для прямого смещения.
Положительный полюс аккумулятора отталкивает отверстия, а отрицательный вывод отталкивает электроны. Затем основные носители, электроны на стороне N-типа и дырки на стороне P-типа перемещаются к переходу. Когда дырки и электроны встречаются, они рекомбинируют, гася друг друга. Этот процесс уменьшает ширину обедненной области, создавая сильный поток основного носителя через соединение.
Приложенное прямое напряжение V нарушает равновесие, первоначально установленное между силами, стремящимися вызвать диффузию основных носителей заряда, и сдерживающим влиянием потенциального энергетического барьера на стыке.Прямое напряжение снижает высоту потенциального барьера в переходе, что приводит к напряжению барьера V0-V в обедненной области.
Более низкое напряжение барьера позволяет большему количеству отверстий диффундировать со стороны P-типа на сторону N-типа и большему количеству электронов диффундировать со стороны N-типа на сторону P-типа. Большое количество носителей заряда, протекающих через полупроводник к переходу, создает низкое сопротивление и значительный ток. Следовательно, диффузионный ток Id существенно возрастает.
Величина потока неосновных носителей — электронов со стороны p-типа на сторону n-типа и дырок со стороны n-типа на сторону p-типа — не меняется. Тогда Id становится на много порядков больше, чем обратный ток насыщения Is.
Ток Id течет в прямом направлении от соединения, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Полярность прямого смещения и направление Id.
Увеличение величины приложенного смещения уменьшает ширину обедненной области.Он увеличивает ток экспоненциально — как показано на правой половине вольт-амперной характеристики на рисунке 1.
Разрыв соединения
Электрическое поле большой величины, приложенное к диэлектрическому материалу, может резко возбудить большое количество электронов до энергий в пределах зоны проводимости, что приведет к резкому увеличению тока через диэлектрик. Это явление иногда сопровождается горением, локальным плавлением или испарением, вызывая необратимую деградацию и разрушение материала.Электрическая прочность или прочность на пробой — это величина электрического поля, вызывающего пробой.
В P-N переходе термически сгенерированные носители могут поддерживать небольшой обратный ток насыщения, равный Is. Предположим, что мы применяем обратный ток больше Is. Как и раньше, высота потенциального барьера на переходе увеличивается до тех пор, пока Id = 0, и единственные носители, пересекающие переход, — это те, которые генерируются термически. Но эти носители могут поддерживать только текущие Is.
По мере увеличения обратного напряжения область истощения расширяется, и мы достигаем достаточно высокого напряжения перехода, в которое входит новый механизм, поддерживающий приложенный ток.Этот новый механизм — разрушение соединения.
Напряжение высокого перехода — это напряжение пробоя (VBR) или напряжение стабилитрона (Vz). При этом обратном напряжении смещения протекает сильный обратный ток, как показано в левой половине рисунка 1 — заметное изменение вольт-амперной характеристики.
Обратите внимание, что обратное напряжение имеет минимальное увеличение, в то время как обратный ток заметно увеличивается — обратное напряжение на переходе остается очень близким к значению VZ.
Пробой перехода не является деструктивным явлением, пока переход имеет адекватную способность рассеивания мощности для работы в области пробоя.Следовательно, p-n-переход часто может работать в области пробоя, не ухудшая своих характеристик. Практическое применение — лавинный, пробойный или стабилитрон.
Два механизма пробоя P-N перехода — это эффект Зенера и лавинный эффект.
Эффект Зенера возникает, когда электрических сил, создаваемых электрическим полем в обедненном слое, достаточно, чтобы вырвать электроны из ковалентных связей, образуя электронно-дырочные пары. Электрическое поле перемещает дырки на сторону p-типа, а электроны — на сторону n-типа, создавая обратный ток через переход.
Лавинный эффект возникает при пробое высокого напряжения. Термически генерируемые неосновные носители, пересекающие обедненную область под действием электрического поля, сталкиваются с элементами кристаллической решетки. При высоком напряжении перехода они получают достаточную кинетическую энергию для разрыва ковалентных связей в атомах, с которыми они сталкиваются, и создания электронно-дырочных пар.
Опять же, электрическое поле перемещает дырки в сторону P-типа, а электроны — в сторону N-типа.Движение этих носителей эквивалентно перемещению одного носителя через область истощения. Они могут иметь ионизирующие столкновения, создавая новые электронно-дырочные пары по типу лавины. В результате формируется множество носителей, способных поддерживать любое значение обратного тока с небольшим изменением падения напряжения на переходе.
Когда в кремнии происходит пробой при напряжении менее 5 В, механизмом является эффект Зенера. При напряжении выше 7 В в кремнии механизмом является лавинный пробой.Для напряжений от 5 В до 7 В прибор может использовать любой механизм или их комбинацию.
Процесс исправления
На рисунке 1 показано, что P-N переход является неомическим или нелинейным элементом. Причина такого поведения — механизм движения заряда по компоненту. Примечательной особенностью является то, что вольт-амперная характеристика перехода не симметрична. Тогда изменение полярности напряжения не приведет к возникновению той же величины тока в противоположном направлении.
На рисунке 6 показан процесс входного напряжения и выходного тока при приложении синусоидального и гармонического напряжения амплитуды V0 к нелинейному элементу с показанной кривой вольт-амперной характеристики. В результате получается синусоидальный ток, который не является гармоническим и изменяется от I1 до -I2. Когда величина I1 намного больше, чем величина I2, происходит процесс исправления.
Рис. 6. Синусоидальное напряжение, приложенное к нелинейному элементу.
Если мы приложим синусоидальное напряжение к переходу P-N, максимум тока для напряжения обратного смещения (Is) будет чрезвычайно мал по сравнению с таковым для прямого смещения (Id). Затем переход P-N действует как выпрямитель, позволяя току проходить в одном направлении, но не в противоположном.
О выпрямительном переходе P-N
Выпрямитель или диод — это электронное устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении.
P-N переход имеет свойства выпрямителя.
P-N-переход проявляет разные свойства проводимости в обратном и прямом направлениях.
Схема обратного смещения соединяет отрицательную клемму батареи со стороной p-типа перехода, а положительную клемму — со стороной n-типа. Таким образом, приложенное напряжение увеличивает контактную разность потенциалов и значительно снижает ток диффузии, в то время как ток дрейфа остается неизменным. Возникает небольшой обратный ток, и зона истощения расширяется.
Мы пришли к выводу, что при обратном смещении ток в обратном направлении — обратный ток насыщения Is — минимален и почти постоянен.
Схема с прямым смещением соединяет положительный полюс батареи со стороной p-типа, а отрицательный полюс — со стороной n-типа. Таким образом, сторона p-типа становится более положительной, а сторона n-типа становится более отрицательной, уменьшая высоту потенциального барьера. В результате большее количество основных носителей преодолевает этот меньший барьер, увеличивая диффузионный ток Id. Неосновные носители не чувствуют барьера, поэтому заметного влияния на ток дрейфа нет.
Еще один результат прямого смещения — сужение зоны истощения.
Мы пришли к выводу, что P-N-переход может проводить значительный ток с прямым смещением — в основном диффузионный ток.
Высокое напряжение обратного смещения — иногда несколько сотен вольт — генерирует большое количество дырок и электронов. Такое большое количество носителей заряда резко увеличивает ток, вызывая пробой материала. Работа в этой области наносит непоправимый вред полупроводниковому диоду типичного типа, поэтому ее следует избегать. Некоторые диоды, например стабилитроны, по своей конструкции работают в этой области.
Сопротивление P-N перехода изменяется в зависимости от приложенной разности потенциалов и полярности. Эта функция позволяет легко протекать току только в одном направлении, заставляя переход действовать как выпрямитель.
Использование CRO для отображения выпрямления с помощью диода
Электрон
Электричество и магнетизм
Использование CRO для отображения выпрямления с помощью диода
Практическая деятельность
для
14–16
Демонстрация
CRO (электронно-лучевой осциллограф) визуально отображает выпрямляющее действие диода.
Аппаратура и материалы
Диод (см. Техническое примечание)
Источник питания, низковольтный, переменный ток
Зажимы типа Crocodile, 2
Выводы, 4 мм, 3
Осциллограф
Примечания по охране труда и технике безопасности
Электронно-лучевая трубка требует напряжения, классифицированного как , опасно для жизни . В корпусе почти всегда есть вентиляционные отверстия, некоторые из которых могут пропускать эти напряжения.Классы должны быть предупреждены о том, чтобы ничего не просовывать в отверстия.
Прочтите наше стандартное руководство по охране труда
Диоды
1N4001 очень дешевы и подходят.
Процедура
Установите источник питания на 12 В переменного тока.
Подключите источник питания, как показано, к осциллографу для отображения формы сигнала. Регулятор усиления должен быть установлен на 2 В / см, а развертка — на 10 мс / см (10 мс / дел).
Выключить электропитание.Подключите диод в схему, как показано выше. Включите и наблюдайте за формой волны.
Если у вас двухлучевой CRO, то вы можете показать как исходный сигнал, так и исправленный.
Повторите с перевернутым диодом.
Учебные заметки
В обратном направлении диод удаляет положительные пики дорожки. В противном случае отрицательные впадины будут удалены.
Также может быть показано двухполупериодное выпрямление с помощью диодного моста, состоящего из 4 диодов, как показано ниже.
Подумайте о том, как расположить четыре диода так, чтобы в течение цикла переменного тока питающий ток проходил в каждом полупериоде и образовывал неровности в одном и том же направлении. Эскиз не показывает, в какую сторону должен указывать каждый диод. Вам нужно это решить.
Если вы используете настоящий CRO (а не регистратор данных), вы можете упомянуть, что сам CRO использует электронный луч для отображения изменяющегося напряжения на его входе.
Вы могли бы обсудить миниатюризацию, которая возможна путем построения интегральных схем на полупроводниковой пластине.Студенты, возможно, слышали о законе Мура, в котором соучредитель Intel Гордон Мур предложил тенденцию, согласно которой количество компонентов в интегральной схеме будет примерно удваиваться каждые два года. Он держался с 1972 по 2006 год.
Этот эксперимент был проверен на безопасность в январе 2007 г.
Видео, показывающее, как использовать осциллограф:
3.2: Выпрямление — Engineering LibreTexts
Выпрямление — это процесс преобразования формы волны переменного тока в форму волны постоянного тока, т. Е. Создание нового сигнала, имеющего только одну полярность. В этом отношении это напоминает обычное определение этого слова, например, где «исправить ситуацию» означает «исправить что-то». Прежде чем продолжить, помните, что напряжение или ток постоянного тока не обязательно должны иметь постоянное значение (как у батареи). Все это означает, что полярность сигнала никогда не меняется.Чтобы различать фиксированное значение постоянного тока и значение, которое изменяется по амплитуде регулярно, последнее иногда называют пульсирующим постоянным током.
Концепция выпрямления имеет решающее значение для работы современных электронных схем. Большинству электронных устройств, таких как телевизор или компьютер, требуется постоянное постоянное напряжение для питания своих внутренних схем. Напротив, для распределения электроэнергии в жилых и коммерческих помещениях обычно используется переменный ток. Следовательно, требуется некоторая форма преобразования переменного тока в постоянный 1 .Здесь и проявляется асимметрия диода.
3.2.1: Полуволновое выпрямление
Чтобы понять работу одного диода в цепи переменного тока, рассмотрим схему на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Это простая последовательная петля, состоящая из источника синусоидальной волны, диода и резистора, который служит нагрузкой. То есть в первую очередь нас будет интересовать напряжение, развиваемое на резисторе.
Для положительных частей входной волны диод будет смещен в прямом направлении. В первом приближении это будет замкнутый переключатель. Следовательно, весь входной сигнал будет падать на резистор. Напротив, когда входной сигнал переключается на отрицательную полярность на другой половине формы волны, диод будет смещен в обратном направлении. Следовательно, диод действует как разомкнутый переключатель. Циркулирующий ток падает до нуля, тем самым не создавая напряжения на резисторе. Весь приложенный потенциал падает на диоде, как указано в законе напряжения Кирхгофа (KVL).Формы напряжения входного и нагрузочного резистора можно увидеть на Рисунке \ (\ PageIndex {2} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Форма волны полуволнового выпрямления.
Результирующий сигнал, видимый на нагрузочном резисторе, представляет собой пульсирующую форму волны постоянного тока. Мы эффективно удалили отрицательную половину сигнала, оставив только положительную часть. Поскольку только половина входного сигнала попадает в нагрузку, это называется полуволновым выпрямлением.
Стоит отметить, что если пиковое входное напряжение переменного тока невелико, может быть очевидное несоответствие между пиковыми уровнями входных сигналов и сигналов нагрузки.Например, если пиковое входное напряжение находится в диапазоне трех или четырех вольт и используется кремниевый диод, результирующая форма волны будет больше похожа на рисунок \ (\ PageIndex {3} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Форма волны полуволнового выпрямления, включая прямое падение диода.
В этом случае прямое падение 0,7 В не может быть проигнорировано, так как оно представляет собой значительный процент от входного пика. Положительные импульсы также немного сужены, поскольку ток не начнет течь на разумных уровнях, пока входное напряжение не достигнет 0.От 6 до 0,7 вольт.
Если бы диод был ориентирован в обратном направлении, он заблокировал бы положительную часть входа и пропустил бы только отрицательную часть. В этом случае форма волны нагрузки будет перевернута сверху вниз по сравнению с рисунками \ (\ PageIndex {2} \) и \ (\ PageIndex {3} \).
Компьютерное моделирование
Схема моделирования простого однополупериодного выпрямителя показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Источник синусоидальной волны с пиковым напряжением 10 В используется для питания популярного выпрямительного диода серии 1N4000, подключенного к нагрузке 100 \ (\ Omega \).Частота источника составляет 60 герц, что является североамериканским стандартом распределения энергии.
Выполняется анализ переходных процессов, в результате чего получаются формы сигналов, показанные на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Форма волны напряжения источника показана красным, а форма волны напряжения нагрузки — синим. Хотя полуволновое выпрямление очевидно, потери из-за прямого падения напряжения на диоде очевидны. На основе вертикальной шкалы разумной оценкой будет значение чуть меньше одного вольт. Моделирование хорошо согласуется с ожидаемым результатом, показанным на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), хотя и не столь экстремальным из-за повышенного напряжения источника.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Анализ переходных процессов для полуволнового выпрямителя.
С практической точки зрения, когда дело доходит до преобразования переменного тока в постоянный, следует учитывать еще два момента. Первый вопрос — это масштабирование выходного напряжения 120 В переменного тока (среднеквадратичное значение) до более полезного уровня. Во многих случаях это означает снижение напряжения, хотя в некоторых приложениях, например в усилителях большой мощности, напряжение необходимо повышать.Второй пункт включает в себя сглаживание пульсирующего постоянного тока для получения постоянного значения, очень похожего на батарею.
3.2.2: Примечание относительно трансформаторов
Вышеупомянутую проблему масштабирования напряжения можно решить с помощью трансформатора. Хотя полное изучение трансформаторов выходит за рамки этой главы, мы можем представить основы. Проще говоря, трансформатор имеет входную сторону, или первичную, и выходную, или вторичную. Каждая сторона состоит из катушки с проволокой, и эти катушки намотаны на общий магнитный сердечник.Ток в катушке первичной стороны создает магнитный поток в сердечнике. Этот поток индуцирует ток во вторичной обмотке. В идеале напряжение уменьшается, а ток увеличивается пропорционально количеству витков между этими катушками. Например, если катушка вторичной стороны имеет вдвое меньше витков, чем катушка первичной стороны, то вторичное напряжение будет составлять половину первичного напряжения, а ее ток будет вдвое больше, чем первичный ток. Это означает, что в идеальном случае трансформатор не теряет мощность.Он просто преобразует мощность из высокого напряжения / низкого тока в низковольтное / сильноточное (или наоборот), отсюда и название. На самом деле трансформаторы имеют ограничения по напряжению и току, и они указаны в терминах номинального значения вольт-ампер или ВА, которое является просто произведением номинального вторичного напряжения и максимально допустимого вторичного тока. Трансформаторы, понижающие напряжение, называются понижающими, а трансформаторы, повышающие напряжение, — повышающими. Наконец, можно создавать трансформаторы с несколькими первичными и вторичными обмотками (с помощью отдельных катушек или многоотводных катушек).Полученные последовательные и параллельные конфигурации катушек делают их гораздо более гибкими.
3.2.3: Сглаживание (фильтрация) вывода
Вторая проблема — это сглаживание и выравнивание пульсирующего постоянного тока. Самый простой способ добиться этого — добавить конденсатор параллельно нагрузке. Конденсатор заряжается во время фазы проводимости, таким образом накапливая энергию. Когда диод выключится, конденсатор начнет разряжаться, передавая накопленную энергию нагрузке.Чем больше конденсатор, тем больше его емкость и более плавным будет напряжение нагрузки. Как мы увидим, у больших конденсаторов есть и обратная сторона. Следовательно, цель состоит не в том, чтобы использовать как можно большую емкость конденсатора, а в том, чтобы использовать оптимальный размер для данного приложения. Полупериодный выпрямитель с трансформатором и конденсатором показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Однополупериодный выпрямитель с трансформатором и фильтрующим конденсатором.
Один из способов рассмотрения включения сглаживающего конденсатора — это предположить, что он, вместе с сопротивлением нагрузки, составляет цепь разряда \ (RC \). Для достижения плавного напряжения нагрузки постоянная времени разряда должна быть намного больше, чем промежуток, возникающий при выключении диода. Для работы с частотой 60 Гц этот промежуток составляет половину периода, или примерно 8,3 миллисекунды. Уравнение постоянной времени:
\ [\ tau = RC \ nonumber \]
Помня о том, что за одну постоянную времени напряжение конденсатора упадет ниже половины начального значения (примерно 37%), нам потребуется постоянная времени в несколько раз больше 8.3 миллисекунды. Например, предположим, что эффективное сопротивление нагрузки равно 100 \ (\ Omega \). Если мы используем конденсатор емкостью 1000 мкФ, результирующая постоянная времени будет 100 миллисекунд, или более чем в десять раз больше длительности промежутка. Конденсатор гораздо меньшего размера, скажем, около 50 мкФ, не будет столь же эффективным для поддержания постоянного напряжения.
Изменение выходного напряжения из-за разряда конденсатора называется пульсацией. Его можно смоделировать как напряжение переменного тока на выходе постоянного тока большей мощности. Величина пульсации ухудшается с увеличением тока нагрузки.В условиях небольшой нагрузки выходное напряжение будет стремиться к пиковому напряжению вторичной обмотки с очень небольшими колебаниями. По мере увеличения тока нагрузки величина пульсаций увеличивается, и номинальное выходное напряжение начинает падать.
Компьютерное моделирование
Два варианта полуволнового выпрямителя с фильтром смоделированы ниже. Обе версии используют нагрузку 100 \ (\ Omega \) с источником 10 В, аналогично предыдущему моделированию. Первая версия использует конденсатор фильтра 50 \ (\ mu \) F, а вторая увеличивает его до 1000 \ (\ mu \) F.В обоих случаях резистор 1 \ (\ Omega \) добавлен последовательно с конденсатором, чтобы служить датчиком тока. Первая версия показана на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Схема моделирования для однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра 50 \ (\ mu \) F.
График моделирования анализа переходных процессов показан на рисунке \ (\ PageIndex {8} \). Форма входного сигнала окрашена в синий цвет, а напряжение нагрузки — в красный. Сравнение этой формы сигнала с изображенной на рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показывает эффект растягивания импульса конденсатором и частичного заполнения промежутка.Очевидно, что этот конденсатор слишком мал, учитывая сопротивление нагрузки и результирующую потребность в токе. Действительно, к моменту поступления следующего импульса конденсатор почти разряжен, и выходное напряжение упало примерно до одного вольт.
Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Моделирование анализа переходных процессов для полуволнового выпрямителя с использованием конденсатора фильтра 50 \ (\ mu \) F.
На рисунке \ (\ PageIndex {9} \) моделирование повторяется, но на этот раз с использованием конденсатора 1000 \ (\ mu \) F вместо 50 \ (\ mu \) F.Как и ожидалось, увеличенная постоянная времени \ (RC \) приводит к гораздо более стабильному напряжению нагрузки. В этой версии выходное напряжение упало с немногим более девяти вольт до примерно восьми вольт, что дает размах колебаний в полтора вольта или около того. Пиковое напряжение чуть более девяти вольт по сравнению с приложенными десятью вольт в основном связано с падением напряжения на выпрямительном диоде.
Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Моделирование анализа переходных процессов для полуволнового выпрямителя с использованием конденсатора фильтра 1000 \ (\ mu \) F.
Одна вещь, которая может быть не очевидна сразу, — это то, что время зарядки для большего конденсатора намного короче, чем для меньшего. Возможно, это нелогично. С большим конденсатором диод включается на более короткое время, потому что его катод удерживается под высоким напряжением из-за конденсатора. То есть он включится только тогда, когда входное напряжение превысит напряжение конденсатора примерно на 0,7 вольт. Только в это время конденсатор будет пополняться, и это может привести к очень большим скачкам тока.
Чтобы исследовать этот эффект, моделирование повторяется, но на этот раз добавляется напряжение на чувствительном резисторе 1 \ (\ Omega \). Это относительно небольшое значение будет иметь лишь умеренное влияние на зарядку и разрядку и удобно масштабируется до текущего значения (т.е. 100 милливольт означает 100 миллиампер). Сначала рассмотрим моделирование переходных процессов на Рисунке \ (\ PageIndex {10} \) с использованием конденсатора 50 \ (\ mu \) Ф.
Красная развертка — это выходное напряжение, а синяя развертка — ток конденсатора.На графике выходного напряжения используется левая вертикальная ось, а на графике тока — правая вертикальная ось. Когда напряжение нагрузки начинает расти, мы видим резкий скачок тока конденсатора. Это ток, заряжающий конденсатор, и его пиковое значение составляет около 180 мА. Общее время фазы зарядки составляет около 4 миллисекунд. Как только выходное напряжение достигает пика, конденсатор начинает разряжаться в нагрузку. Обратите внимание, что во время фазы разряда полярность тока конденсатора изменилась. Он отрицательный, достигает максимума примерно -80 миллиампер и передает ток на нагрузку.
Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Форма кривой тока анализа переходных процессов с использованием конденсатора фильтра 50 \ (\ mu \) F.
Это моделирование повторяется с использованием конденсатора емкостью 1000 мкФ. Результаты показаны на рисунке \ (\ PageIndex {11} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Форма кривой тока анализа переходных процессов с использованием конденсатора фильтра 1000 \ (\ mu \) F.
Синий сигнал тока достигает пика примерно при 800 мА, что более чем в четыре раза превышает значение по сравнению с использованием меньшего конденсатора.Кроме того, ширина положительного импульса уменьшилась примерно до 2,5 миллисекунд. Фаза разряда почти плоская, что означает, что выходное напряжение должно быть более стабильным, поскольку этот конденсатор является единственным источником тока нагрузки во время этой фазы.
3.2.4: Двухполупериодное выпрямление
Улучшением полуволнового выпрямления является двухполупериодное выпрямление. Полуволновое выпрямление неэффективно, потому что оно по существу отбрасывает отрицательную часть входного сигнала. Напротив, двухполупериодное выпрямление использует отрицательную часть, инвертируя или меняя ее полярность.Полученная схема немного больше и сложнее, но приводит к значительному повышению производительности. Например, размер конденсатора фильтра значительно уменьшен.
Существует два популярных метода двухполупериодного выпрямления. В первом методе используется пара диодов с вторичной обмоткой с отводом от центра (т. Е. Разделенной). Второй метод использует схему из четырех диодных мостов. Форма диодного моста также способна создавать биполярный выход (то есть положительный выход вместе с отрицательным выходом, как правило, той же величины).
Вторичная цепь с двумя диодами с отводом от центра показана на рисунке \ (\ PageIndex {12} \). Эта схема также включает конденсатор фильтра.
Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением и конденсатором.
Операция следующая. Во время положительной половины напряжения источника диод \ (D_1 \) смещен в прямом направлении, а \ (D_2 \) — в обратном. Следовательно, верхняя половина вторичной обмотки ведет себя как простой полуволновой выпрямитель, позволяя току течь через \ (D_1 \) в нагрузку.Из-за обратного смещения на \ (D_2 \) нижняя половина представляет собой разомкнутую цепь и эффективно удаляется. В зеркальном режиме, когда приложенный потенциал переключает полярность \ (D_1 \) будет смещена в обратном направлении, а \ (D_2 \) станет смещенной в прямом направлении. Теперь ток свободно течет через \ (D_2 \) в нагрузку. Таким образом, используются обе половины входного сигнала. Результирующие формы сигналов показаны на рисунке \ (\ PageIndex {13} \). Для ясности фильтрующий эффект конденсатора не показан, а \ (V_ {in} \) представляет половину общего вторичного напряжения.
Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): формы сигналов двухполупериодного выпрямителя.
Важно помнить об этой конфигурации, что нагрузка «видит» только половину вторичной обмотки в любой момент времени. Следовательно, напряжение нагрузки будет составлять только половину от общего вторичного напряжения (минус одно прямое падение на диоде). Например, если коэффициент трансформации трансформатора составляет 10: 1, и он питается от стандартного источника на 120 вольт, вторичная обмотка будет выдавать среднеквадратичное значение 12 вольт. Если не учитывать падение напряжения на диоде, нагрузка будет видеть половину этого значения, или 6 вольт RMS (около 8.5 вольт пик). Обычно трансформаторы рассчитываются по их общему вторичному напряжению, поэтому этот трансформатор будет называться «вторичная обмотка на 12 В с отводом от средней точки».
Четырехдиодный мостовой выпрямитель показан на рисунке \ (\ PageIndex {14} \). Конденсатор фильтра включен. Также обратите внимание на использование стандартной вторичной обмотки без центрального отвода. Поскольку это очень распространенная конфигурация, четырехдиодный мост доступен в виде одинарной четырехпроводной детали различных размеров и значений токовой нагрузки.
Работа этой схемы проиллюстрирована на рисунке \ (\ PageIndex {15} \) для положительной части входа. Сначала ток течет от верхней части вторичной обмотки к переходу \ (D_1 / D_2 \). Только \ (D_2 \) предлагает путь прямого смещения, поэтому ток течет через \ (D_2 \) к соединению с \ (D_4 \) и нагрузкой. Поскольку \ (D_4 \) представляет собой путь обратного смещения, ток должен течь вниз через нагрузку. С земли ток продолжается до перехода \ (D_1 / D_3 \). Хотя на первый взгляд кажется, что ток может протекать через любой диод, помните, что катод \ (D_1 \) привязан к верхней стороне вторичной обмотки.Следовательно, его потенциал должен быть выше, чем на анодной стороне, что делает его смещенным в обратном направлении. Следовательно, ток течет вниз через \ (D_3 \). Аналогичная ситуация происходит в \ (D_4 \), и ток направляется обратно к низкому уровню вторичной обмотки. Короче говоря, \ (D_2 \) и \ (D_3 \) смещены в прямом направлении, а \ (D_1 \) и \ (D_4 \) — в обратном. Нагрузка видит все вторичное напряжение за вычетом двух прямых диодных падений.
Во время части входа с отрицательной полярностью ситуация меняется на обратную, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {16} \). Ток будет течь снизу вторичной обмотки через \ (D_4 \), вниз через нагрузку и, наконец, обратно к верхней части вторичной обмотки через \ (D_1 \). Таким образом, \ (D_1 \) и \ (D_4 \) смещены вперед, а \ (D_2 \) и \ (D_3 \) — смещены в обратном направлении. Важно то, что в обоих случаях ток течет через нагрузку сверху вниз, что приводит к положительному выходному напряжению.
Разработайте выпрямитель / фильтр, который будет обеспечивать выходное напряжение приблизительно 30 вольт при максимальном потребляемом токе 300 миллиампер. Он должен питаться от источника 120 В переменного тока (среднеквадратичное значение). Пульсации напряжения должны быть менее 10% от номинального выходного напряжения при полной нагрузке.
В этом дизайне мы сосредоточимся на использовании стандартных готовых деталей.Как мы видели, двухполупериодные выпрямители более эффективны при преобразовании переменного тока в постоянный, поэтому мы пойдем по этому пути, в частности, с использованием четырехдиодного моста. Мы будем использовать схему на Рисунке \ (\ PageIndex {14} \) в качестве руководства.
Первое, что нужно учитывать, — это размер трансформатора. Для выхода 30 вольт потребуется пиковое вторичное напряжение не менее 32 вольт, так как мы должны добавить два прямых падения диода. Эквивалентное среднеквадратичное значение равно \ (32 / \ sqrt {2} \) или 22,6 вольт. При полной нагрузке отфильтрованное выходное напряжение несколько упадет, поэтому требуется несколько большее значение.Стандартной вторичной обмотки 24 В должно хватить. Учитывая номинальный ток нагрузки 300 мА, трансформатор должен быть не менее 0,3 А \ (\ cdot \) 24 В или 7,2 ВА.
Что касается конденсатора, то он должен быть рассчитан на пиковое напряжение. Пиковое значение равно 24 В переменного тока RMS \ (\ cdot \ sqrt {2} \) или 34 вольт. Хотя можно попробовать конденсатор номиналом 35 В, стандартный номинал 50 В оставит большой запас прочности и повысит надежность. Чтобы найти значение емкости, мы должны сначала найти эффективное сопротивление нагрузки наихудшего случая.
\ [R = \ frac {V_ {out}} {I_ {max}} \ nonumber \]
\ [R = \ frac {30 V} {0,3 A} \ nonumber \]
\ [R = 100 \ Omega \ nonumber \]
Будет полезно сравнить это с моделированием, изображенным на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Наша спецификация пульсации несколько жестче, чем полученная в предыдущем моделировании. Это становится очевидным, если посмотреть, насколько сильно снизилось выходное напряжение к середине выключенной части цикла. Следовательно, нам потребуется большая постоянная времени, возможно, в два раза.Это дает нам 200 миллисекунд.
\ [\ tau = RC \ nonumber \]
\ [C = \ frac {\ tau} {R} \ nonumber \]
\ [C = \ frac {0.2s} {100 \ Omega} \ nonumber \]
\ [C = 2000 \ mu F \ nonumber \]
Стандартного значения 2200 \ (\ mu \) F должно быть достаточно.
Компьютерное моделирование
Для проверки наших результатов смоделирован дизайн из примера \ (\ PageIndex {1} \). Схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {17} \). Чтобы упростить моделирование, вместо трансформатора используется источник среднеквадратичного напряжения 24 В.Нагрузка наихудшего случая моделируется через резистор 100 \ (\ Omega \). Для первоначального теста конденсатор фильтра не используется, чтобы мы могли гарантировать правильное пиковое напряжение и формы сигналов. Результаты переходного анализа показаны на рисунке \ (\ PageIndex {18} \). Вторичное напряжение показано красным цветом, а напряжение нагрузки — синим. Полная форма волны в точности такая, как ожидалось, включая небольшое снижение пикового значения напряжения из-за падения двух прямых диодов. Пиковое значение выходного напряжения чуть выше 30 вольт, как и нужно.
Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): Схема моделирования для разработки примера \ (\ PageIndex {1} \) без конденсатора.
Рисунок \ (\ PageIndex {18} \): переходный анализ конструкции примера \ (\ PageIndex {1} \) без конденсатора.
Теперь, когда мы уверены в уровне напряжения и форме сигнала, добавлен конденсатор выходного фильтра, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {19} \). Анализ переходных процессов запускается снова, и результирующие формы входного напряжения и напряжения нагрузки показаны на рисунке \ (\ PageIndex {20} \).Напряжение нагрузки показано красным. Среднее значение составляет чуть более 30 вольт, а размах колебаний — менее двух вольт, как и нужно. Обратите внимание, что пиковое напряжение полной нагрузки с конденсатором немного меньше, чем то, что было в версии без конденсатора. Если потребление тока нагрузки увеличится, падение и пульсация ухудшатся.
Рисунок \ (\ PageIndex {19} \): Схема моделирования для разработки примера \ (\ PageIndex {1} \) с конденсатором.
Рисунок \ (\ PageIndex {20} \): переходный анализ конструкции примера \ (\ PageIndex {1} \) с конденсатором.
3.2.5: Двухполупериодный мост с двумя выходами
Как уже упоминалось, двухполупериодный мост можно настроить для создания биполярного источника питания с двумя выходами. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {21} \). Обратите внимание на наличие центрального отвода на вторичной обмотке трансформатора и расположение заземляющего соединения между двумя нагрузками и соответствующими конденсаторами.
Один из способов думать об этом заключается в том, что мы просто создали новую контрольную точку, разделив пополам общий выходной потенциал схемы, представленной на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).С другой стороны, его можно рассматривать как верхнюю половину вторичного привода \ (R_ {load +} \), в то время как нижнюю половину привода \ (R_ {load -} \), как если бы мостовая и двухдиодная версии были каким-то образом объединены в аварии с транспортером, как в фильме 1958 года «Муха», хотя он не кричит: «Помогите мне! Помоги мне!» крошечным голосом в конце.
3.2.6: Постановление Зенера
Добавление конденсатора большой емкости к выпрямителю необходимо для хранения и передачи энергии, чтобы получить плавное, идеально неизменяющееся напряжение.Как отмечалось ранее, при большой нагрузке пульсации увеличиваются по амплитуде, а среднее напряжение падает. Эту проблему можно значительно уменьшить, добавив к выходу стабилитрон и токоограничивающий резистор после конденсатора. Это называется стабилитроном и показано на рисунке \ (\ PageIndex {22} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {22} \): Простой стабилитрон.
Регулятор стабилитрона работает довольно просто. Напомним, что при обратном смещении с достаточно большим потенциалом нормальное поведение обратного диода разомкнутого переключателя резко меняется, чтобы поддерживать фиксированное напряжение; потенциал стабилитрона.При достижении этого потенциала ток через диод начинает резко возрастать. Если мы разместим стабилитрон на выходе нашего выпрямителя с фильтром, стабилитрон попытается ограничить выходное напряжение до потенциала Зенера. Чтобы предотвратить чрезмерное и, возможно, разрушительное потребление тока диодом Зенера, разница напряжений между напряжением конденсатора и потенциалом Зенера снижается на последовательном резисторе, ограничивающем ток. Этот ограничивающий резистор устанавливает максимальный выходной ток.Затем этот ток разделяется между стабилитроном и нагрузкой. В условиях небольшой нагрузки большая часть этого тока будет проходить через стабилитрон. В условиях большой нагрузки большая часть тока будет потребляться нагрузкой с небольшим протеканием через стабилитрон. Если потребность в токе нагрузки слишком велика, стабилитрон не пропускает ток, и он перестает проводить. Регулирование теряется, и ограничивающий резистор образует делитель напряжения с нагрузкой.
Полная схема выпрямителя / фильтра / стабилитрона показана на рисунке \ (\ PageIndex {22} \).Давайте посмотрим, как \ (R_ {limit} \) взаимодействует с нагрузкой.
Рисунок \ (\ PageIndex {22} \): Двухполупериодный мостовой выпрямитель и фильтр с стабилитроном.
Для правильной работы потенциал Зенера (\ (D_5 \)) является желаемым выходным напряжением постоянного тока, а пиковое вторичное напряжение устанавливается несколько выше. Мы хотим гарантировать, что в условиях полной нагрузки самое низкое напряжение конденсатора из-за пульсаций все еще будет больше, чем желаемое выходное напряжение постоянного тока. Разница между напряжением конденсатора и потенциалом Зенера падает на \ (R_ {limit} \).Следовательно,
В условиях холостого хода весь этот ток течет вниз через стабилитрон. Максимальный ток нагрузки равен этому значению (в этот момент ток через стабилитрон не протекает).
Пример \ (\ PageIndex {2} \)
Определите максимальный ток нагрузки для источника постоянного тока, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {22} \). Напряжение конденсатора составляет в среднем 15 вольт с пульсацией \ (\ pm \) 1 вольт (т.е.е., падение 16 вольт до 14 вольт). Потенциал стабилитрона составляет 12 вольт, а \ (R_ {limit} \) составляет 4,7 \ (\ Omega \).
Максимально возможный непрерывный ток нагрузки — это ток через \ (R_ {limit} \) (без учета \ (I_ {ZT} \)). Предельный случай для непрерывного потребления будет иметь место, когда напряжение конденсатора будет на самом низком значении, или 14 вольт.
Обратите внимание, что в этом наихудшем случае ток, умноженный на потенциал стабилитрона, дает рассеиваемую мощность около 10 Вт. Конечно, при нормальной работе с потребляемым током нагрузки рассеивание на диодах значительно снижается. Интересно отметить, что стабилитрон рассеивает максимальную мощность, когда ток нагрузки равен нулю. Следовательно, мы можем думать об этой схеме как о смещении тока от стабилитрона к нагрузке, поскольку нагрузка требует большего тока 2 .
Список литературы
1 Если вам интересно, почему мы не используем вместо этого просто распределение постоянного тока, чтобы «вырезать среднего человека», причин для этого множество. Во-первых, обычно более эффективно распределять мощность по переменному току, а не по постоянному току. Во-вторых, даже если постоянный ток доступен, он может быть не той амплитуды, которую требует схема. Следовательно, потребуется некоторая форма преобразования постоянного тока в постоянный. В зависимости от области применения это может оказаться дороже, чем преобразование переменного тока в постоянный.
2 Как вы могли догадаться, это не особенно эффективно, потому что даже когда нагрузка равна нулю, стабилитрон все еще потребляет ток от трансформатора. Усовершенствованная схема может включать в себя биполярный транзистор, как рассмотрено в главе 4.