контрольные вопросы. Контрольные вопросы лаб 7.. Устройство и принцип работы полупроводникового диода

• Название: Устройство и принцип работы полупроводникового диода
• Анкор: контрольные вопросы
• Дата: 21.12.2020
• Размер: 71.32 Kb.
• Имя файла: Контрольные вопросы лаб 7..docx
• Тип: Документы; #162571

1. 
   Устройство и принцип работы полупроводникового диода.Полупроводниковый диод состоит из двух областей (слоев), изготовленных из полупроводника (кремния, германия и т.п.). Одна область имеет избыток лжсвободных электронов (n-полупроводник), другая – недостаток (p-полупроводник) – это достигается легированием основного материала. Между ними находится небольшая по размерам зона, в которой избыток свободных электронов из n-участка «закрывает» дырки из p-участка (происходит рекомбинация за счет диффузии), и свободных носителей заряда в этой области нет. При приложении прямого напряжения область рекомбинации невелика, её сопротивление мало, и диод проводит ток в этом направлении. При обратном напряжении зона без носителей увеличится, сопротивление диода возрастет. В этом направлении ток не пойдет.
   
2. 
   Основное свойство диода? Почему диод называют нелинейным элементом ЭЦ и, часто, вентилем?
   

Диодами называют двухэлектродные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока.( функция 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.

3. 
    Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ). Указать на ВАХ основные характеристики диода, в том числе прямое запирающее напряжение и обратное напряжение пробоя.
   

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.



Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь 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. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

4. 
   . Устройство и принципы работы диодного ограничителя напряжения.
   

Последовательный ограничитель снизу пропускает на выход ту часть входного напряжения, которая способна создать прямой ток в диоде VD (положительный импульс), а параллельный - ту часть, при которой диод VD запирается обратным напряжением.

Они обеспечивают ограничение напряжения снизу на нулевом уровне, пропуская на выход только импульсы положительной полярности. При импульсах отрицательной полярности на входе выходное напряжение Uвых на выходных зажимах отсутствует, так как в первом случае к диоду приложено обратное напряжение, диод заперт и ток через резистор нагрузки Rнагр не протекает. Во втором случае диод VD шунтирует резистор Rнагр. В обоих случаях не происходит идеального ограничения и при входных отрицательных импульсах на выходе образуются небольшие отрицательные импульсы, что объясняется следующим.

5. 
    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 (Е_СМ1 < Е_СМ2). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения Е_СМ2, 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 Е_СМ1. При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину Е_СМ2, то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению Е_СМ2. ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения U_ВХ меньше, чем напряжение смещения Е_СМ, диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе U_ВЫХ 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 U_ВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе U_ВЫХ будет равным напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит значение напряжения смещения, диод откроется и выходное напряжение будет равным входному напряжению.

6. 
    Структурная схема выпрямителя и результаты работы отдельных его блоков.
   

Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение U _ВХ , а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U _ВЫХ подключается нагрузка R _Н .

 

. Структурная схема выпрямителя

Трансформатор(часто называемый силовым) предназначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков выпрямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопасности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную.

Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры и др.).

Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительныйблок, оценивается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется:

К_В = I _ПР / I _ОБР , (U = const ).

Идеальные вентильные элементы пропускают ток только в одном направлении (прямой ток) и совсем не пропускают тока в обратном направлении I _ОБР = 0 , т. е.обладают высокими выпрямительными свойствами. Реальные вентильные элементы, в отличие от идеальных, пропускают сравнительно небольшой обратный ток I _ОБР ≈ 0 и отличаются более низкими выпрямительными свойствами. Поэтому для обеспечения качественной работы выпрямителя вентильные элементы должны обладать малым прямым и большим обратным сопротивлениями, а также высоким допустимым обратным напряжением, высоким КПД и стабильностью характеристик.

Сглаживающий фильтр служит для снижения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения, получаемого на выходе выпрямительного блока. Фильтр является устройством, содержащимR – , L – иС -элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьшении напряжения. Качество работы фильтра оценивается коэффициентом фильтрации (сглаживания) - отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра q = К _{П ВХ}/ К _{П ВЫХ}.

Стабилизатор служит для снижения влияния изменяющихся внешних условий (колебания напряжения в питающей сети, изменение нагрузки, температуры и т. д.) на режим работы выпрямителя с целью поддержания выходного напряжения на заданном уровне. Стабилизатор может быть установлен как на выходе выпрямителя, так и на входе - со стороны переменного тока.

В состав выпрямителя могут также входить выключатели, элементы автоматики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать (кроме выпрямительного блока). Если, например, не требуется изменять входное напряжение U_ВХ и в целях безопасности электрически разделять нагрузку от питающей сети, то из схемы исключается трансформатор, а в некоторых случаях можно исключить сглаживающий фильтр или стабилизатор.

Кроме того, сам выпрямительный блок может быть очень простым или достаточно сложным. В простых схемах содержится минимальное количество вентильных элементов, в результате чего получают низкое качество выпрямления со сравнительно высоким коэффициентом пульсаций. Сложные схемы строятся на основе смешанного соединения вентильных элементов, благодаря чему удается понизить коэффициент пульсации и улучшить характеристики выпрямителя.

Основными техническими параметрами выпрямителя являются значение входного (переменного) напряжения U_ВХи тока I , среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное напряжение) U_{С В}и ток I_{С В}, коэффициент пульсаций К_П,коэффициент сглаживания пульсаций q ,КПД и др.

По способам преобразования переменного тока различают одно- и двухполупериодные выпрямители.

 

Выпрями́тель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае - в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.

7. 
    Назначение трансформатора в выпрямительных схемах.
   

Трансформатор(часто называемый силовым) предназначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков выпрямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопасности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную

8. 
   Назначение сглаживающего фильтра выпрямителя. Типы фильтров.
   

Изменения уровня напряжения и для гальванической развязки нагрузки от питающей сети.

Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения. Эти фильтры выполняются из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов. Простейший сглаживающий фильтр может состоять только из одного элемента, например дросселя или конденсатора. В малогабаритной аппаратуре сравнительно малой мощности индуктивные элементы фильтра могут быть заменены активными (резисторами).

Сглаживающие фильтры, прежде всего, характеризуются коэффициентом сглаживания q, представляющим собой отношение коэффициентов пульсаций на входе S₀ и выходе S_0H фильтра

Индуктивный сглаживающий фильтр

Применяется в маломощных выпрямителях, но может входить в состав сложных многозвенных фильтров. 

Емкостной сглаживающий фильтр состоит из конденсатора С_ф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки R_н. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций f_п выпрямленного напряжения.

Сглаживающий LC фильтр

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения будет более эффективным, если в совместить два предыдущих фильтра: индуктивный и емкостной фильтры.

https://www.electronicsblog.ru/silovaya-elektronika/vypryamiteli-chast-2-sglazhivayushhie-filtry.html

9. 
    Принципы работы индуктивного и емкостного фильтров.
   

Применяется в маломощных выпрямителях, но может входить в состав сложных многозвенных фильтров. Параметры дросселя следует выбирать так, чтобы активное сопротивление обмотки rдр было много меньше сопротивления нагрузки (r_др << R_н), а индуктивное сопротивление X_др = 2πf_пL_ф на частоте пульсаций f_п – много больше, чем R_н(X_др >> R_н). В этом случае почти вся постоянная составляющая напряжения будет приложена к нагрузке, а переменная составляющая – к дросселю.

Емкостной сглаживающий фильтр состоит из конденсатора С_ф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки R_н. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций f_п выпрямленного напряжения.

10. 
    Поясните принцип действия однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя с помощью временных диаграмм (осциллограмм).
    

Выпрямление электрических колебаний, это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.



Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

11. 
    . Основные параметры и характеристики выпрямителей: значения выпрямленных напряжения и тока у потребителя, коэффициент пульсации и сглаживания.
    

Статический преобразователь электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока является выпрямительным устройством. Обратное преобразование осуществляют инверторы.Виды выпрямителей и их характеристики. Выпрямителем называется устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.

12.Чему равно среднее значение выпрямленного напряжения однофазных выпрямителей однополупериодного и двухполупериодного без сглаживающих фильтров при работе на активную нагрузку.

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке φ=[π/2–β;π/2+β]φ=[π/2–β;π/2+β]:

Iдср=12π∫π2+βπ2−βUвхmaxr(sin(φ)−cos(β))dφ=Iдср=12π∫π2−βπ2+βUвхmaxr(sin⁡(φ)−cos⁡(β))d⁡φ=

=Uвхmaxπr(sin(β)−βcos(β))=Uвхmaxπr(sin⁡(β)−βcos⁡(β))  

12. 
     Коэффициенты пульсации различных схем однофазных выпрямителей и коэффициент сглаживания фильтра.коэффициент пульсаций выходного напряжения
    

13. 
    Технологический и технико-экономический критерий выбора выпрямителя.При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых: принципиальной схемой выпрямителя, частотой и величиной входного переменного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметрами применяемого трансформатора и т.д.