лекция. Лекция пэ 5 от 03. 11. 2022 г. Основные полупроводниковые приборы на основе рn перехода и их значение в электронике
 Скачать 2.28 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ ПЭ № 5 от 03.11. 2022 г. Основные полупроводниковые приборы на основе Р-N перехода и их значение в электронике 1. Выпрямительные диоды , основные схемы выпрямле-ния: их свойства и применение в электронике. 2. Стабилитроны, варикапы и туннельные диоды. 3. Тиристоры и их применение в электронике. 1 Выпрямительные диоды и основные схемы выпрямления Вся известная аппаратура питается от напряжения по-стоянного тока, а основной источник энергии – это про-мышленная сеть переменного тока частоты 50 Гц ( в США, Японии и др. - 60 Гц). Поэтому преобразуют переменный ток в постоянный с помощью выпрямителей, в которых применяются высо-ковольтные кремниевые (с параметрами ≥10А→1000В) и низковольтные германиевые ( ≤1А→300В) выпрямитель-ные диоды. Главные параметры этих диодов: выпрямленный (пря-мой) ток I 0 и обратное напряжение на диоде Uобр , действу-ющее в отрицательный полупериод входного переменно-го напряжения. Основные схемы выпрямления Однополупериодный выпрямитель Простейший выпрямитель (напр. в простейших китай-ских «адаптерах» без сглаживающего конденсатора) - это т.н. однополупериодная схема выпрямления (рисунок 1).   Рис. 1. Однополупериодный выпрямитель У него следующие параметры: Uвых = U0 ≈ 0,45 Uвх ; Uобр = Uобр. макс.≈ 3,14 U0; Iд макс = 3,14 I0; Кп=Umвх / U0 = 1,57, где Uвх – действующее значение входного напряжения и Umвх – его амплитуда; U0 , I0- средние значения выпрямленных напряжения и тока; Uобр - обратное максимальное напряжение на диоде в отрицательный полупериод входного напряжения; Кп– коэффициент пульсаций; Iд макс – максимальная амплитуда тока на диоде при выпрямлении. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора (рис.2)   Рис. 2. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора U0 ≈ 0,9 U2 ; Uобр ≈ 3,14 U0 ; Iд макс = 3,14 I0; Кп=Um̸вх / U0 = 0,67. Здесь через нагрузку Rн протекает выпрямленный ток I0 , пуль-сирующий дважды за период, т.е. выпрямляются «оба полуперио-да»U2⁄ и U2⁄ ⁄, поэтому выпрямленное напряжение в 2 раза больше, а коэффициент пульсаций – в 2 раза меньше, чем в однополупериод-ной схеме. Недостаток: к запертому диоду в любой момент выпрямления приложена удвоенная амплитуда напряжения одного плеча вторич-ной обмотки трансформатора: Uобр = 2 U2⁄ = 2 U2⁄ ⁄, Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным нап-ряжением. Данный недостаток устранен в мостовой схеме выпрям-ления (Рис. 3). Мостовая схема выпрямителя (имеет наибольшее применение)  Рис. 3. Мостовая (широко применяемая) схема выпрямителя У этой схемы такие же значения U0 иКп , что и в предыдущей, но зато Uобр ≈ 1,57U0 - в два раза меньше. Кроме того, в ней вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем в предыдущей схеме. Умножитель –удвоитель 2-х полупериодный (Рис. 4)  Рис. 4. Умножитель (удвоитель) выпрямленного напряжения Параметры схемы идентичны мостовой схеме, однако, можно получать умноженные в 2, 3, 4 и т.д. выпрямленные напряжения без применения повышающего трансформатора ( напр. умножите-ли в телевизорах для формирования в/вольтного напряжения пита-ния электронного кинескопа). Ниже приведен один из видов такого умножителя (Рис. 5). Работа схемы: При «+» на нижнем зажиме тр-ра диод Д1 открыва-ется и заряжает конденсатор С1 до амплитуды U2m. В другой по-лупериод («+» на верхнем зажиме тр-ра) через открытый диод Д2 заряжается С2 от суммарного напряжения конденсатора С1 и нап-ряжения U2m , поэтому на нагрузке – удвоенное напряжение, рав-ное 2 U2m.Обратное напряжение на диодахUобр ≈ 2,09 U0 .  Рис. 5. Практическая схема умножителя напряжения в 10-12 раз Все выпрямители входят в состав аппаратуры в качестве блоков питания (БП), в которых выпрямленное напряжение сглаживается от пульсаций и стабилизируется на нагрузке от влияния различ-ных дестабилизирующих факторов. Ниже показана блок-схема типового блока питания (Рис. 6).  Рис. 6. Типовая блок- схема блока питания и эпюры напряжений на выходе каждого блока Однако, такой БП имеет большие вес и габариты, определяемые размерами трансформатора и сглаживающего фильтра. В настоящее время они вытесняются импульсными преобразователями, работающими на частотах до десяток и сотен килогерц. При этом достигается уменьшение размеров и веса устройства. 2. Стабилитроны, варикапы и туннельные диоды. Стабилитроны (Рис. 7)   Рис. 7. Вид стабилитрона и простейшая схема включения Стабилитрон – это п-проводниковый диод, у которого пробойный участок обратной ветви ВАХ используется для стабилизации выпрямленного напряжения. Включается он в обратном направлении.  Рис. 8. Вольтамперная характеристика стабилитрона Диапазон тока 1-2 является рабочим участком стабилитрона, в области которого напряжение на диоде не зависит от тока , т.е постоянно! (Рис. 8). Принцип работы: при изменении напряжения  на величину  ток диода на участке 1-2 изменяется соответственно на величину , поэтому напряжение на диоде и нагрузке практически постоянно. Балластный резистор выбирают из соотношения:  – номинальный ток стабилитрона, указываемый в справочниках.Варикапы (Рис. 9) Варикап – это п-проводниковый диод, у которого ширина обратно смещенного Р-N перехода используется как уп-равляемая емкость.   Рис. 9. Обозначение и вольт-фарадная характеристика варикапа Из графика следует, что чем больше приложенное к варикапу обратное напряжение, тем меньше ёмкость варикапа.  Рис. 10.Типовая схема включения варикапа в колебательный контур Принцип работы : С помощью изменения резистором R2 напряжения управления Uупр, изменяется ёмкость варикапа, а, следовательно, и резонансная частота колебательного контура (Рис. 10). Варикапы используются в системах ДУ телевизоров, АПЧ приёмников и радиотелефонов для настройки на частоту передатчика и в других устройствах автоматики. Туннельный и обращенный диоды Туннельный – это ПП-диод, у которого в прямой ветви ВАХ имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением,что используется в генераторах ВЧ колебаний и в импульсных перек-лючателях автоматики (Рис. 11).  Рис. 11. Вид туннельного диода и его вольтамперная характеристика.  Рис. 12. К принципу работы туннельного диода Особенности туннельного диода (ТД) и принцип работы ТД - это т.н. вырожденный ПП-прибор с очень узким P-N переходом ( 5-15 нм) , в котором очень высокая концентрация примесей (nпр ≈ 10241/м3) и очень большая напряженность эл. поля (Е ≈108В/м). Он становится почти как металл с перекрытием ВЗ и ЗП. Однако, процесс возникает другой: здесь даже без внешнего напряжения резко активизируется процесс «туннелирования» валентных электронов из n-области в р-область, а валентных электронов из р-области в п-область, т.е. в переходе возникает равновесный встречный туннельный ток с результативным током, равным нулю! (Рис. 12). Такое равновесие нарушают подачей напряжения, а именно: При обратном и небольшом прямом напряжениях одна из состав-ляющих тока начинает преобладать и образует ток туннельного эффекта (участок АОБ на ВАХ), рис. 11. Но в максимальной точке «Б» вольтамперной характеристики электроны, перешедшие из обасти n- в -область p, «максимально насыщаются», в результате чего ток уменьшается практически до нуля (участок «Б-В»). По мере дальнейшего повышения прямого напряжения туннельный эффект полностью прекращается и p-n переход становится как у обычного диода (участок «ВГ» ВАХ).  К рис. 11. ВАХ туннельного диода (ранее приведенная) Разновидностью ТД является обращенный диод, у котороготуннельный эффект имеет место только в обратной ветви ВАХ (рис. 13). Это достигается немного меньшей концентрацией примеси по сравнению с обычным ТД. Поэтому при малом прямом токе эффект туннелирования не наблюдается. Зато при обратном смещении возникает большой туннельный ток, который для многих диодов составляет величину 0,01–0,5 мА. Время переключения их со-ставляет 0,5–1 нс. Основное применение обращенных диодов – детекторы малых сигналов и ключевые устройства для импульс-ных сигналов малой амплитуды.  Рис. 13. Вольтамперная характеристика и обозначение обращенного диода 3 Тиристоры и их применение в электронике Тиристор – это p-n-p-n прибор, с тремя p-n переходами и одним или двумя управляющими выводами, предназначенный для переключе-ния. Фактически, это встречное соединение трёх диодов с внешни-ми выводами (p - анодным и n–катодным) и внутренним p–управля-ющим электродом (УЭ) (рис. 14 и 15).  Рис. 14. Диодный эквивалент (слева), структура (посередине) и графический символ тиристора (тринистора)    Обозначение и вид динистора Вид тиристора Рис. 15. Обозначение и реальный вид динистора и тринистора Существуют тиристоры диодные (т.н. динисторы с 2 выводами ) и триодные (тринисторы с 3 выводами).  Рис. 16.Типичная ВАХ тиристора (динистора) Динистор (тиристор) устойчиво включается с задержкой: только тогда, когда на аноде напряжение «+» ≥ UВКЛ (см. ВАХ в точке «А»); далее прибор переходит в обычный диодный режим «Б-В», что ис-пользуется в бесконтактных переключателях автоматики и телеме-ханики (рис. 16). Более совершенны тринисторы (или просто тиристоры ) которые открываются при значительно меньшем анодном напряжении (по сравнению с обычным диодом) за счет «+» на 3-ем (управляющем УЭ электроде). Это по сути управляемый выпрямитель, позволяю-щий менять режим включения за счет 3-го электрода (рисунок ни-же). Есть незапираемые и запираемые тиристоры, в частности, за-пираемые по аноду и катоду а также тетродные тиристоры с катод-ным или анодным управляюшими электродами, причем, анодный служит как для включения, так и выключения (подают «плюс» или «минус», рисунок 17).  Рис. 17. Тетродные тиристоры Часто тиристоры применяют в т.н. управляемых выпрямителях для плавного регулирования выпрямленного напряжения (рисунок ниже), в которых за счет изменения напряжения на управляющем электроде ( а значит, и тока управления) можно изменять напряже-ние включения тринистора. Принцип действия такого выпрямителя простой. Тиристор пропускает ток при одновременном наличии «плюса» на его аноде и управляющем электроде (затворе), рис. 18.  Рис. 18. Простейшая схема управляемого тиристорного выпрямителя И если тиристор включить с задержкой, т. е. сдвинуть по фазе нап-ряжение включения (на упр. эл-де ) относительно входного напряже-ния (на аноде), то время одновременного наличия «плюса» на аноде и упр. эл-де сокращается, т. е. в нагрузку пройдёт только часть положительной полуволны синусоидального напряжения, что соответствует уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения или тока в нагрузке. Таким образом, изменяя фазовый сдвиг (угол α) между напряжением включения тиристора и входным, можно менять среднее значение тока (напряжения) в нагрузке, рис. 18. Следующая лекция будет посвящена фото и свето приборам а так-же остальным приборам без P-N перехода, использующим физи-ческие св-ва самих полупроводниковых МЭТ. Подробная информа-ция по теме лекций дается в нижеуказанном учебном пособии: Тихонов А. И. Информационно-измерительная техника и электро-ника: учеб. пособие по курсу лекций / А. И. Тихонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 312 с. [ В библ.173 экз.]Ю, а также в новой книге «ПЭ» Тихонов А. И. и другие: (см. ниже два рис. ipg)   В заключение лекции для ее закрепления предлагается небольшой видеофайл о тиристоре . Благодарю за внимание! |