Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца

• Название: Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
• Анкор: Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике.doc
• Дата: 18.02.2017
• Размер: 2.39 Mb.
• Имя файла: Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике.doc
• Тип: Закон; #2855
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика
• страница: 14 из 16

Синхронный компенсатор - синхронная электрическая машина, работающая в режиме электродвигателя без активной нагрузки. Включение синхронного компенсатора эквивалентно присоединению к электрической сети ёмкостной или индуктивной нагрузки (в зависимости от режима синхронного компенсатора); меняя характер нагрузки, регулируют напряжение и повышают коэффициент мощности (cosφ) сети.


32. Основы силовой промышленной электроники. Свойства электронно-дырочного перехода. Полупроводниковый диод. Свойства диода при прямом и обратном включении. Вольтамперная характеристика. Структурная схема выпрямительного устройства.

Основы промышленной электроники

Промышленная электроника является одним из важнейших разделов технической электроники, занимающейся изучением и практическим использованием электронных электровакуумных и полупроводниковых приборов и устройств в различных отраслях промышленности.

В промышленной электронике в зависимости от области практического применения можно выделить три направления:

1.     Информационная электроника является основой электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники и устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства и системы, связанные с получением, обработкой, хранением, передачей и использованием информации, а также контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами;

2.     Энергетическая (силовая) электроника занимается изучением и промышленным использованием электронных устройств, связанных с преобразованием электрической энергии средней и большой мощности в системах электрического привода.

3.   Электронная технология занимается изучением и промышленным использованием электронных устройств в технологических процессах, основанных на использовании энергии электромагнитных волн, электронных и ионных излучений и др.

Современная промышленная электроника основана на широком применении полупроводниковых приборов, которые по сравнению с электровакуумными приборами обладают большими достоинствами: высокий коэффициент полезного действия, низкое энергопотребление, высокая надёжность и долговечность, незначительные габариты и масса.

ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

 В большинстве полупроводниковых приборов исполь­зуются кристаллы комбинированного полупроводника с двумя и более слоями (зонами), образованными примесными полупроводниками с различным типом проводимости, т. е. полупроводниками р и n - типа.

Область комбинированного полупроводника, расположенная вблизи ме­таллургической границы, разделяющей полупровод­ник на две части с разнотипной проводимостью ( pиn - зоны), называется электронно - дырочным переходом или р – п - переходом.

Электронно-дырочный переход (рис. 7) обычно получают вплавлением или диффузией соответствую­щих примесей в пластинку монокристалла чистого полупроводника. Электронно-дырочный переход представляет собой очень тонкий (не более де­сятых долей микрометра) слой, разделяющий р и n – полупроводники (р и n – зоны) и в отличие от примесных или чистых полупроводников обладающий свойством односторонней проводимости, на использовании которой основана работа полупроводниковых приборов.

 Образование электронно-дырочного перехода обусловлено различием концентраций подвижных носителей заряда в электронной и дырочной областях (зонах) комбинированного р - n – полупроводника. В отсутствие внешнего электрического поля в зоне контакта полупроводников р и n – типа из-за разности концентраций подвижных носителей заряда в р и n - зонах происходит процесс диффузии основных носителей электрических заряда из зоны с повышенной концентрацией носителей в зону с по­ниженной концентрацией носителей заряда (диффузионный ток I_ДИФ), т. е. дырки, концентрация которых повышена в полупроводнике р – типа, диффундируют в n - зону, а электроны, концентрация которых повышена в полупроводнике n – типа - диффундиру­ют в р – зону. При встречном движении положительных (дырок) и отрицательных (электронов) носителей зарядов они взаимно нейтрализуются (рекомбинируют) и вблизи границы раздела полупроводников р и n – типа возникает область, обеднённая подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким электрическим сопротивлением (запирающий слой).
 

Рис. 7. Структура электронно-дырочного перехода

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то в процессе диффузии произошло бы в конечном итоге полное выравниванию их концентраций по всему объ­ему кристалла. Однако в действительности этого не происходит, поскольку диффузионный ток через р и n - пере­ход приводит к нарушению баланса положительных и отрица­тельных зарядов и возникновению в запирающем слое электрического поля, препятствующего диффузии носителей зарядов. Уход электронов из n - зоны полупроводника приводит к тому, что их концентрация вблизи р и n - пере­хода уменьшается и здесь возникает не скомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорной примеси. В другой части полупроводника - в р – зоне - вследствие ухода дырок их концентрация вблизи р и n - пере­хода снижается и здесь возникает не скомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов кристаллической решётки.

Таким образом, в результате диффузии носителей заряда в запираю­щем слое нарушается баланс положительных и отрица­тельных зарядов и на границе раздела полупроводников р и n – типа возникают два слоя противоположных по знаку зарядов, образованных неподвижными ионами кристаллической решётки: отрицательными в р - зоне, в положительными в n– зоне, т. е. возникает так называемый двойной электрический слой.

Этот двойной электрический слой (контактная разность потенциалов), образованный пространственными зарядами ионов кристаллической решётки, создает внутри запирающего слоя электри­ческое поле напряженностью E_ПЕР(поле перехода или потенциальный барьер), направленное от n - зоны полупроводника к р – зоне, т. е. направленное навстречу диффузионному току. Под действием поля перехода возникает встречное движение неосновных носителей заряда через р – п - переход – дырок из n– зоны и электронов – из р – зоны, т. е. возникает так называемый дрейфовый ток I_ДР , направленный навстречу диф­фузионному току.

Разделение носителей заряда на диффундирующие и дрейфующие довольно условно, т.к. в действительности каждый носитель заряда в запирающем слое находится в движении под одновременным действием сил диффузии и внутреннего электрического поля перехода. Через некоторое время дрейфовый ток полностью компенсирует диффузионный и в области р – п - перехода наступает динамическое равновесие, когда результирующий ток через переход равен нулю

I= I_ДИФ - I_ДР = 0.

Такой режим соответствует равновесному со­стоянию р – п - перехода при отсутствии внешнего электри­ческого поля.

 

Свойства электронно - дырочного перехода при наличии внешнего напряжения

Включение электронно - дырочного  перехода в прямом направлении

 Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в прямом направлении, т. е. так, что плюс приложен к р - слою, а минус к n– слою (рис. 8), то напря­жение внешнегоэлектрического поляE_ВНпрактически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопро­тивлением. Из-за встречного направления внутреннего E_ПЕРи внешнего E_ВНполей результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер снижаются: E_РЕЗ = E_ПЕР- E_ВН.

Снижение потенциального барьера приводит к уменьшению объемного заряда и сужению за­пирающего слоя, в результате чего возрастает количество основных носителей заряда, обладающих энергией, достаточной для преодоления р – п - перехода, а как следствие этого - увеличивается диффузионная со­ставляющая тока через переход. При этом дрейфовая составляющая тока практически остаётся постоянной, поскольку не зависит от приложенного напряже­ния, а определяется напряжением поля перехода E_ПЕР и количеством неосновных но­сителей заряда, концентрация которых в примесных полупроводниках по сравнению с основными носителями очень мала.

Поэтому при прямом включении р – п - перехода возникает результирующий ток - прямой ток, протекающий через переход в прямом направлении из р – зоны в п - зону: I_ПР = I_ДИФ - I_ДР > 0.

 

Рис. 8. Прямое включение электронно-дырочного перехода

 Поскольку величина потенциального барьера р – п - перехода обычно составляет несколько десятых долей вольта, то даже небольшое прямое напряжение U _ПР (порядка десятых долей вольта), приложенное к р – п – переходу, вызывает появление большого прямого тока I_ПР , обусловленного высокой концентрацией основных носителей заряда – дырок в р – зоне и электронов в п - зоне и в зависимости от мощности полупроводникового прибора достигающего величины порядка сотен и тысяч ампер. В случае, если прямой ток превышает некоторое значение, допустимое по условиям теплового нагрева полупроводника, то вследствие повышенного тепловыделения происходит быстрый перегрев полупроводника и тепловое разрушение р – п – перехода.

Другими словами при прямом включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ПР = U _ПР/ I_ПРочень мало (порядка десятых – сотых долей ома), поэтому им часто пренебрегают, принимая практически равным нулю (R _ПР ≈ 0) и в этом случае используют выражение « р – п – переход открыт ».

Включение электронно-дырочного  перехода в обратном направлении

Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в обратном направлении, т. е. так, что плюс приложен к n - слою, а минус к p– слою (рис. 9), то в этом случае направления внутреннего E_ПЕРи внешнего E_ВНполей совпадают и результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер возрастают: E_РЕЗ = E_ПЕР+ E_ВН .

При этом возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя, поэтому диффузия основных носителей заряда через переход становится практически невоз­можной и диффузионный ток через переходI_ДИФ = 0. В этом случае результирующий ток через переход будет определяться только дрейфовым током неосновных носителей заряда, протекающим в обратном направлении и называемым обратным током:

I _ОБР = I _ДР = I _ДИФ - I _ДР .



  Рис. 9. Обратное включение электронно-дырочного перехода

 Обратный ток I_ОБР , обусловленный движением неосновных носите­лей заряда (дырок из n– зоны в р – зону и электронов из р – зоны в n– зону) под действием возросшего поля перехода E_РЕЗнесколько увеличивается, однако даже при большом обратном напряжении U _ОБР(порядка сотен вольт) остаётся очень незначительным (порядка нескольких милли - микроампер), так как концентрации неосновных (собственных) носителей заряда в полу­проводнике - дырок в n– зоне и электронов в р – зоне очень малы.

Другими словами при обратном включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ОБР = U _ОБР/ I_ОБРочень велико (порядка миллионов ом), поэтому часто его принимают практически равным бесконечности (R _ОБР ≈ ∞) и в этом случае используют выражение « р – п – переход закрыт ».

В случае, если обратное напряжение превышает некоторое допустимое значение, то происходит лавинный электрический (обратимый) пробой р – п – перехода, что приводит к заметному увеличению обратного тока, быстрому перегреву полупроводника и тепловому разрушению р – п – перехода. Электрический и тепловой пробои р – n - перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необра­тимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через р – п - переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом слу­чае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения, подводимого к переходу.

 ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  (ВАХ) ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

 Зависимость силы тока через р – п - переход от приложенно­го напряжения I (U)называется вольт - амперной ха­рактеристикой (ВАХ) электронно - дырочногоперехода (рис. 10).

 



 

Рис. 10. Вольт - амперная характеристика электронно-дырочного перехода

а) – идеальная; б) - реальная

 Вольт - амперная характеристика для прямого включения р – п - перехода (прямая ветвь ВАХ «1») и обратного включения (обратная ветвь ВАХ «2») в зависимости от требуемой точности может быть изображена при одинаковом масштабе токов и напряжений (а)и при различном масштабе (б).

При одинаковом масштабе по осям для прямых (положительных) и обратных (отрицательных) значений на­пряжения и тока вольт - амперная характеристика соответствует характеристике идеаль­ного электрического вентиля (а ). Прямая ветвь ВАХ совпадает с осью тока, что означает нулевое падение на­пряжения при протекании прямого тока, т. е. прямое сопротивление р – п - перехода равно нулю (R _ПР = 0) и следовательно р – п – переход открыт. Обратная ветвь ВАХ совпадает с осью напряжения, что означает нулевой ток при включении обратного напряжения, т. е. обратное сопротивление р – п - перехода равно бесконечности (R _ОБР = ∞) и следовательно р – п – переход закрыт. Следовательно, р – п - переход в зависимости от полярности приложенного напряжения обладает вентильными свойствами - односторонней проводимостью, т. е. пропускает электрический ток в прямом направлении и не пропускает в обратном.

В действительности реальная вольт - амперная ха­рактеристика р – п -перехода (б )несколько отличается от идеальной вентильной характеристики, поэтому, если для точных расчётов необходимо учесть эти отличия, то её строят в раз­ных масштабах для прямых и обратных зна­чений токов и напряжений.

Отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется коэффициентом выпрямления: К_В = I_ПР / I_ОБР , (U = const).

Анализ вольт - амперной характеристики р – п - перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства р – n - переходов лежат в основе работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии, используемых для выпрямления переменного тока, изменения частоты и т. д.

Односторонняя (вентильная) проводимость р – п – перехода является его основным отличительным свойством, на использовании которого и основана работа различных полупроводниковых приборов.