Контрольные вопросы по диодам. КВ по диодам. Устройство и принцип работы полупроводникового диода
 Скачать 289.64 Kb.
|
|
Устройство и принцип работы полупроводникового диода. Диод - двухслойный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами: анодом А (от p-области) и катодом К (от n-области). На рис. 1 приведены структурная схема диода (а) и его условное графическое обозначение (б). Наиболее распространены две группы германиевых и кремниевых диодов - выпрямительные и импульсные.  а b Рис.1. Полупроводниковый диод: а - структурная схема, б - схемное обозначение Выпрямительные диоды используют в схемах преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный ток в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц, например, в блоках питания электронных приборов, ЭВМ и др. Импульсные диоды применяют в схемах электронных устройств, работающих в импульсных режимах. Основное свойство диода? Почему диод называют нелинейным элементом ЭЦ и, часто, вентилем? Функционирование диода в электрической схеме определяется его вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рис.2). При прямом включении сопротивление диода мало, и через него проходит прямой ток, диод "открыт". При обратном включении сопротивление диода велико, и через него проходит лишь небольшая величина тока, обусловленного движением неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. В это время диод "закрыт". Таким образом, основным свойствомдиода является свойствовентильности или односторонней проводимости. Диодами называют двухэлектродные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока (функцией вентиля является однонаправленность тока). Нелинейным элементом называют элемент, параметры которого зависят от протекающего через него тока или от приложенного к нему напряжения. Типичными нелинейными элементами являются диод и транзистор. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ). Указать на ВАХ основные характеристики диода, в том числе прямое запирающее напряжение и обратное напряжение пробоя.  Прямая ветвь (верхняя правая часть) идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная ветвь (левая нижняя часть) идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр). При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Основные параметры выпрямительного диода приводятся в его техническом паспорте и сравниваются с параметрами, определенными по снятым характеристикам: прямое постоянное напряжение Uпр при определенном для каждого диода прямом постоянном токе Iпр; обратный ток Iобр при определенном обратном постоянном напряжении Uобр; максимально допустимое обратное напряжение Uобр.макс. Превышение этого значения переводит диод в режим пробоя. Различают электрический и тепловой пробои p-n-перехода. Электрический пробой может быть лавинным или туннельным и не сопровождается разрушением p-n-перехода. Тепловой пробой приводит к разрушению p-n-перехода и выводу прибора из строя; максимально допустимый прямой ток Iпр.макс, обычно определяемый как средний за период прямой ток в схеме однополупериодного выпрямителя. Устройство и принципы работы диодного ограничителя напряжения. В электрических цепях диоды используются как ограничители амплитуды напряжения. Подобная схема, представленная на рис.3, содержит: а) источник регулируемого переменного напряжения V1; б) постоянное балластное сопротивление R1 и нагрузочное сопротивление R2; в) источники постоянного заданного напряжения V2, V3; г) исследуемые виртуальные диоды VD1, VD2; д) ключи J1, J2; е) измерительные приборы: амперметр, вольтметр, осциллограф.   Рис.3. Схема диодного ограничителя (а) и временная диаграмма входного и выходного напряжений (б) Если от источника V1 на вход подать переменное напряжение с амплитудой Uвх, то на выходе на нагрузке получим переменное напряжение с амплитудой Uвых. Однако при замыкании ключей J1, J2 максимум положительной или отрицательной амплитуды ±Uвых будет ограничен значениями E1 или E2 соответственно. Это объясняется тем, что при положительной полуволне входного напряжения Uвх > E1 диод VD1 "открыт", а при отрицательной полуволне входного напряжения Uвх > E2 диод VD2 "открыт", и сопротивления диодов стремятся к 0. Данная схема путем замыкания и размыкания ключей позволяет исследовать ограничение амплитуды выходного напряжения сверху и/или снизу. Режимы работы диодного ограничителя: ограничение снизу, ограничение сверху, двухстороннее ограничение. Принцип работы двухстороннего ограничителя заключается в следующем. Напряжение источников смещения выбирают так, чтобы в отсутствии входного сигнала диод VD2 был открыт (ЕСМ1 < ЕСМ2). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения ЕСМ2, а уровень ограничения по минимуму – напряжением в точке соединения диодов VD1 и VD2, которое соответствует напряжению отпирания диода VD1. Диод VD1 открывается, когда напряжение на входе превышает величину напряжения ЕСМ1. При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину ЕСМ2, то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению ЕСМ2. ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения UВХ меньше, чем напряжение смещения ЕСМ, диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе UВЫХ будет соответствовать напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод откроется и через него начнёт проходить электрический ток, а напряжение на выходе будет соответствовать входному напряжению. Принцип работы ограничителя по максимуму состоит в следующем. При значении входного напряжения UВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе UВЫХ будет равным напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит значение напряжения смещения, диод откроется и выходное напряжение будет равным входному напряжению. Структурная схема выпрямителя и результаты работы отдельных его блоков. Однополупериодная схема выпрямителя Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 4) с активной нагрузкой является простейшей из известных схем выпрямления. Ток iн в нагрузке протекает только при положительной полуволне входного напряжения, то есть когда напряжение на аноде диода более положительное, чем на его катоде. При отрицательной полуволне входного напряжения диод закрыт, а максимальное обратное напряжение на диоде Uобр.макс U2m. Таким образом, ток в нагрузке Rн протекает только в один полупериод синусоидального напряжения, отсюда название выпрямителя – однополупериодный. Среднее выпрямленное напряжение и ток на нагрузке за период:   .Амплитуда Um.ог. основной гармоники выпрямленного напряжения определенная из разложения в ряд Фурье:  .Коэффициент пульсации  .Схема однофазного однополупериодного выпрямителя находит применение в случае получения высоких выходных напряжений при небольших токах нагрузки. Например, получение высокого напряжения для питания электронно-лучевых трубок, трубок рентгеновских аппаратов и др.  (а)  (б) Рис. 4. Принципиальная схема однополупериодного (однотактного) выпрямителя переменного тока (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б). Двухполупериодная (мостовая) схема выпрямителя Название «мостовая схема» (рис. 5, а) получила из-за способа соединения четырёх выпрямительных диодов. К одной «паре плеч» подается переменное напряжение, а с другой «пары плеч» снимается постоянное напряжение. В положительный полупериод синусоидального напряжения ток протекает через диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и диод VD3. Диоды VD2 и VD4 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением. Во второй отрицательный полупериод ток протекает через диод VD4, резистор Rн и диод VD2. Диоды VD1 и VD3 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением.  (а)  (б) Рис. 5. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (а) и его временные диаграммы (б) Таким образом, в обоих полупериодах через нагрузку протекает ток в одном направлении. Кривые напряжения и тока на нагрузке (рис. 5, б) повторяют по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от 0 до максимального значения U2m. Очевидно, что в этом случае средние значения выходного напряжения и тока будут в два раза больше, чем в схеме однофазного однополупериодного выпрямителя.  . .Амплитуда Um.ог основной гармоники выпрямленного напряжения определенная из разложения в ряд Фурье:  .Коэффициент пульсации  .Обратное напряжение на вентиле Um.обр U2m. |