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

Коэффициент выпрямления — Справочник химика 21

    Из уравнения (43.4) следует, что при изменении полярности в первый момент будут наблюдаться увеличенные значения токов как прямого, так и обратного направлений. С ростом частоты соотношение средних значений токов прямого и обратного направлений уменьшается, а коэффициент выпрямления падает. Это связано с тем, что в первом полупериоде вблизи поверхности электрода накапливается продукт реакции, а во втором полупериоде он расходуется. При высокой частоте продукт реакции не успевает уходить в раствор, его концентрация у поверхности возрастает, поэтому возрастает и ток обратного [c.218]

    Выпрямительные приборы весьма чувствительны. Вольтметры выпускаются с нижними пределами измерения начиная от 0,3 В, а миллиамперметры — от 0,2 мА. Входное сопротивление выпрямительных вольтметров обычно порядка 2 кОм/В. Особенностью выпрямительных вольтметров является уменьшение входного сопротивления при измерении малых напряжений вследствие уменьшения коэффициента выпрямления диодов. Поэтому выпрямительные вольтметры на малые напряжения имеют низкое входное сопротивление, например, в вольтметре с верхним пределом измерения 0,3 В входное сопротивление составляет 300 Ом (прибор потребляет ток 1 мА). Внутреннее сопротивление выпрямительных миллиамперметров относительно велико, например, миллиамперметр с верхним пределом измерения 0,2 мА имеет сопротивление 5000 Ом (на приборе падает напряжение до 1 В). [c.421]

    При падении напряжения на диодах их коэффициенты выпрямления уменьшаются, таким образом при малых токах уменьшается коэффициент выпрямления выпрямителя и возникает нелинейность характеристики. Поэтому микроамперметры выпрямительной системы не выпускаются. [c.421]

    В приборах электронной системы в качестве выпрямительных элементов часто используют вакуумный диод, т.е. электронную лампу (у полупроводниковых диодов при малых переменных напряжениях мал коэффициент выпрямления). Поэтому рассматриваемые вольтметры часто называют ламповыми. [c.423]

    II химическими способами, выдерживают обратные напряжения до 8—9 в и обладают достаточно высоким коэффициентом выпрямления ( 1200). [c.328]

    Коэффициенты выпрямления с ростом температуры изменяются незначительно. Прямой ток при постоянном прямом напряжении с ростом температуры увеличивается, обратный ток также увеличивается. [c.332]

    Показано, что формовка обратным током приводит к увеличению обратного- напряжения и улучшению коэффициента выпрямления у образцов, а формовка прямым током — в ряде случаев к опрокидыванию ВАХ. Инвертированная ВАХ обладает высоким коэффициентом выпрямления, отно-ситель Ю большими прямыми токами. [c.333]

    В этой формуле V — амплитуда переменного напряжения, выделяемого на ячейке в результате пропускания переменного тока I, а значения коэффициентов выпрямления и корреляционных коэффициентов определены ниже для каждого из возможных сочетаний стадий (1) — (3). [c.237]

    Фарадеевское выпрямление определяется формулой (8) значения коэффициентов выпрямления приведены в табл. 2. Громоздкое выражение для 0 9 в случае изотермы Фрумкина приводится в тексте  [c.239]

    Автор [30] изучал вольт-амперную характеристику вольфрамового электрода в 0,4 н. растворе Н2504. При анодной поляризации ток весьма мал (запорное направление), при катодной — велик коэффициент выпрямления приблизительно равен 100. В случае переменного тока ультранизкой частоты (0,03 гц) наблюдается выпрямление, которое исчезает при повышении частоты. В концентрированном растворе плавиковой кислоты выпрямление не наблюдается, по-видимому, вследствие растворения окисной пленки. [c.33]

    Фарадеевское выпрямление определяется по (8), где коэффициенты выпрямления a k берутся из табл. 2, а корреляционные множители рассчитываются по формулам  [c.241]

    Подставив формулу (51) в (50), получим для внешней ОС Кос = для внутренней /Сое = К- Из выражений Коа видно, что внешняя ОС дает возможность изменять коэффициент Ков от О до Кос При внутренней ОС коэффициент /Сое определяется значением коэффициента выпрямления kg и, как правило, О 1- При внешней ОС регулирование коэффициента Кое осуществляется изменением сопротивления резистора / рег, шунтирующего всю или часть обмотки ОС (см. рис. 139, б). Оба способа могут быть использованы при выборе режима типового МУ, имеющего несколько управляющих обмоток. [c.167]

    Коэффициент поглощения (максимальный) на монокристал—Лическом образце равен 10 см. При 12,1 мк имеется максимум поглощения. Коэффициент выпрямления (на точечном контакте) имеет порядок 1000 и сохраняет его до 400° С [141]. [c.90]

    Эффект увеличивается при захвате носителей, и они начинают образовывать вблизи освещаемого электрода слой пространственного заряда, уменьшая тем самым поле в глубине кристалла. Это становится более заметным, когда освещаемый электрод отрицателен, так как отрицательным носителям требуется больше времени, чтобы добраться до другого электрода, и слой пространственного заряда разрушается меньше, поскольку меньшее число положительных зарядов сможет разряжаться на отрицательном электроде. Если отрицательные носители захватываются больше, чем положительные, эффект возрастает, ибо это равнозначно эффективному увеличению отношения подвижностей Це/Ц ,. Рис. 8, на котором представлена спектральная зависимость объемного тока для различных кристаллов, показывает также влияние дефектов, т. е. захвата носителей, на коэффициент выпрямления. [c.29]

    Если Сп > Со, то при наложении на диод переменной разности потенциалов протекает преимущественно ток одного направления, т. е. диод приобретает выпрямляющие свойства. Расчет показывает, что достаточно хорошее выпрямление достигается уже при (ОисЬЮоСо) > > 10. Для увеличения коэффициента выпрямления необходимо это отношение увеличивать. Как следует из уравнения (43.3), при этом происходит некоторое увеличение порогового напряжения, т. е. напряжения, при котором диод начинает работать, хотя пороговое напряжение эле

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

П л а н л е к ц и и

5.1. Разновидности полупроводниковых диодов.

5.2. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

5.4. Модели выпрямительных диодов.

5.5. Стабилитроны: характеристики, параметры, применение. 5.6. Туннельный диод. Зонная диаграмма и ВАХ.

5.7. Варикап: принцип работы, применение. 5.8. Импульсные диоды: принцип действия.

5.1. Разновидностиполупроводниковыхдиодов.

Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющий р–n-переход, называется полупроводниковым диодом. Существуют разные виды полупроводниковых диодов – выпрямительные, импульсные, обращенные, туннельные, лавинно-пролетные, опорные или зенеровские (стабилитроны), с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.

5.2. Выпрямительныеполупроводниковыедиоды. Характеристикиипараметры. Влияниевнешних условийнахарактеристикиипараметры.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния или германия. В зависимости от частоты выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные и высокочастотные. В зависимости от мощности – на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. По конструкции выпрямительные диоды подразделяются на точечные и плоскостные, а в зависимости от технологии изготовления – на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Точечные диоды имеют малую барьерную емкость, обусловленную малой площадью p–n-перехода, и применяются, как правило, на высоких и сверхвысоких частотах.

Мощные плоскостные диоды имеют большую площадь p–n-перехода, являются низкочастотными и используются в основном в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Такие диоды называются силовыми. Они изготавливаются преимущественно из кремния, поскольку

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.2. Выпрямительные полупроводниковыедиоды. Хаар-ки и параметры.Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p–n-переход от температуры. Мощные кремниевые диоды рассчитаны на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение до 1000 В.

Для выпрямления высоких напряжений служат выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, выпрямленный ток которых может составлять несколько сот миллиампер, а напряжение до 15000 В.

Сплавные диоды чаще всего применяются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на частотах до 100 кГц, а эпитаксиальные диоды с барьером Шоттки – на частотах до 500 кГц.

Зависимость тока через диод от напряжения на диоде называется вольтамперной характеристикой диода (ВАХ). Теоретическое описание BAX идеального диода с p–n переходом, полученное У. Шокли (4.33), имеет вид

где U – напряжение на p–n-переходе диода, IS – ток насыщения, φТ = kT/q – тепловой потенциал. При T = 300 К φТ = 25 мВ. ВАХ идеального p–n- перехода приведена на рис. 5.1, а.

IS

Рис. 5.1. Статические вольт-амперные характеристики идеального p–n-перехода (а) и реального диода (б)

При положительных и отрицательных напряжениях U, больших по модулю 0,1 В, ВАХ описывается упрощенным выражением

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.2. Выпрямительные полупроводниковыедиоды. Хаар-ки и параметры.Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

При протекании большого прямого тока через диод падение напряжения возникает не только на p–n-переходе, но и на объемном сопротивлении полупроводника R.

В результате реальная ВАХ диода (рис. 5.1, б) отличается от ВАХ идеального p–n-перехода и описывается выражением

Различают прямую (при U > 0) и обратную (при U < 0) ветви ВАХ. Прямой ветви ВАХ соответствуют большие значения прямого тока диода и малые падения напряжения на диоде, обратной ветви – малые значения обратного тока диода при достаточно больших (по модулю) обратных напряжениях на диоде. Свойством проводить ток практически в одном направлении (свойством односторонней проводимости) и определяется использование диода для целей выпрямления переменного тока.

На прямой ветви ВАХ выпрямительного диода выделяют условную точку ее резкого излома и соответствующее ей напряжение, называемое пороговым. Пороговое напряжение приближенно составляют 0,3 В для германиевых диодов, 0,6 В – для кремниевых и 1,2 В – для арсенидгаллиевых.

Важным параметром диода является коэффициент выпрямления Kв, который определяется как отношение прямого тока к обратному при одинаковой (по модулю) величине прямого и обратного напряжений

(например: ±0,01 В; ±0,1 В; ±1 В) [3]. Для идеального диода Кв = 1 при U =

±0,01 В. При U = ±1 В Кв = 2,8·1020.

Для реального диода существует максимально допустимый прямой ток Iпр.max, превышение которого приводит к его недопустимому разогреву и тепловому пробою. Значение Iпр.max относится к справочным предельным параметрам диодов. Для диодов малой мощности предельный прямой ток составляет десятки миллиампер.

При приложении определенного обратного напряжения, называемого напряжением пробоя, начинается процесс лавинообразного нарастания тока, что соответствует электрическому пробою p–n-перехода (отрезок А–Б на рис. 5.1, б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки Б).

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max также является важным предельным параметром выпрямительных диодов и составляет для

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.2. Выпрямительные полупроводниковыедиоды. Хаар-ки и параметры.Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

Дифференциальное сопротивление диода представляет отношение приращения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

rä = dU

Оно имеет большое значение на обратной ветви ВАХ и малое зн ачение, обратно пропорциональное току диода,

– на прямой ветви ВАХ диода (рис. 5.2). Для диодов малой мощности дифференциальное сопротивление составляет единицы – десятки ом, для более мощных диодов – десятые доли

ома.

Статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току) определяется отношением напряжения на диоде к протекающему через него току:

rд, Ом

10

+25º 8

4

2 –60ºС

0 5 10 15 20 25 Iпр,

Рис. 5.2. Зависимость дифференциального

сопротивления диода ГД402 от величины прямого тока

Свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. При повышении температуры снижается статическое и дифференциальное сопротивление диода (рис. 5.2), соответственно, возрастают прямой и обратный токи диода. У германиевых диодов обратный ток увеличивается в 2 раза на каждые 10 ºС повышения температуры. У кремниевых диодов прямой ток диода растет при нагреве не столь сильно, как обратный, так как его величина определяется концентрацией легирующей примеси. При возрастании температуры ВАХ диода сдвигается влево.

5.3. Рабочийрежимдиоданапостоянномтоке. Применение диодовдлявыпрямленияпеременноготока.

В электронных схемах в цепь диода, как правило, включается какаялибо нагрузка, например резистор (рис. 5.3). Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной цепи не представлял бы затруднений. Но диод обладает нелинейным сопротивлением и его сопротивление изменяется при изменении тока. Потому расчет режима диода

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

по постоянному току делается графически. Он основывается на использовании статической ВАХ диода (рис. 5.3). При этом на ВАХ строится

линия нагрузки или нагрузочная характеристика.

Она устанавливает связь между током через диод I напряжением на диоде U, сопротивлением нагрузки Rн и ЭДС источника питания Е и определяется выражением

которое следует из второго закона Кирхгофа для цепи, содержащей диод, сопротивление нагрузки и источник питания:

Построение линии нагрузки производится по точкам ее пересечения с осями координат. При I = 0 получаем U = Е, откладываем на оси напряжений значение Е, получаем точку А. При U = 0 получаем I = Е/Rн, откладываем это значение по оси токов, получаем точку Б. Соединяя эти точки, получаем линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки и ВАХ диода (точка Т) дают решение поставленной задачи.

Рис. 5.3. Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

При сравнительно малых Rн точка Б получается за пределами чертежа, в этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение u и от полученной очки отложить ток I = u/Rн (отрезок ВГ). Прямая, проведенная через точки В и Г, будет линией нагрузки. Иногда бывают заданы напряжение, ток и сопротивление нагрузки, а следует определить ЭДС источника питания. Во всех случаях нужно руководствоваться уравнением (5.6).

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

Выпрямление переменного тока – один из основных процессов в радиоэлектронике. Выпрямителями в общем случае называются устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямители на основе полупроводниковых диодов применяются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, а также используются в качестве измерительных преобразователей, амплитудных детекторов сигналов, умножителей напряжения и др.

Существуют различные виды полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов, схемой их включения, типом сглаживающего фильтра. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 5.4, а. Она включает в себя генератор переменной ЭДС (е), диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется

однополупериодной схемой выпрямления с активной нагрузкой.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры в качестве генератора переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис 5.4, б).

Рис. 5.4. Схема однополупериодного выпрямителя: е – источник ЭДС, Тр – трансформатор, U1 , U2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, VD – выпрямительный диод, Rн – сопротивление нагрузки, Uн – напряжение на нагрузке

Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну выпрямляемого напряжения (рис. 5.5). Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая или

среднее значение Uср.

Для однополупериодной схемы среднее значение напряжения определяется как

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3.Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

1T / 2

∫U (5.7)sin ωtdt =Um /π = 0,318Um ,m2Uñð = T

0

где Um (или Еm) амплитуда напряжения источника е (для схемы рис. 5.4, б – напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2).

Рис. 5.5. Форма напряжений на входе (а) и выходе (б)

однополупериодного выпрямителя

Если напряжение источника составляет величину десятки – сотни вольт, то падением напряжения на диоде можно пренебречь и Uср ≈ 0,3 Em. При выпрямлении переменного напряжения небольшой амплитуды (единицы вольт) необходимо учитывать падение напряжения на диоде, которое может составлять до 0,6 В для маломощных германиевых диодов и более 1 В для кремниевых. Оно приводит к потере мощности на диоде и снижению коэффициента полезного действия выпрямителя.

При отрицательной полуволне все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным. Максимальное значение обратного напряжения Uобр равно амплитуде ЭДС источника (напряжения на вторичной обмотке трансформатора).

Важным параметром, характеризующим работу выпрямителя, является коэффициент пульсаций:

Он определяется как отношение амплитуды первой гармоники Um1 переменного напряжения на нагрузке, получаемой путем разложения его в

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

ряд Фурье, к среднему значению напряжения на нагрузке. Для однополупериодного выпрямителя

что соответствует значению коэффициента пульсаций kп = 1,57. Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дает более сложные двухполупериодные схемы выпрямления.

Для эффективного сглаживания пульсаций в выпрямительных схемах применяются сглаживающие фильтры. Простейший способ сглаживания пульсаций – включение конденсатора большой емкости Сф параллельно нагрузке (рис. 5.6). Конденсатор обеспечивает хорошее сглаживание, если его сопротивление на частоте основной гармоники пульсаций ωп намного

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рис. 5.7, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и напряжения на конденсаторе Uc, равного напряжению на нагрузке Uн.

Рис. 5.6. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

0

t

Разряд

Заряд

Рис. 5.7. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

При включении конденсатора большой емкости средневыпрямленное значение напряжения Uср стремится к амплитудному значению Um и может достигать (0,80–0,95)Um.

Сведения о более сложных схемах выпрямления с большим числом используемых диодов – двухфазных, двухполупериодных, мостовых, с умножением напряжения, а также о других применениях выпрямительных диодов, приведены в библиографическом списке.

5.4. Моделивыпрямительныхдиодов.

На рис. 5.8, а показана эквивалентная схема (схема замещения) выпрямительного диода. Приведенная модель является малосигнальной эквивалентной схемой диода для области низких частот.

Сопротивление Rпер представляет собой нелинейное сопротивление p–n-перехода и в случае прямого включения диода очень мало. Емкость С представляет собой сумму барьерной емкости p–n-перехода и диффузионной емкости.

Анализ работы указанной схемы не представляет затруднений и ведется на основе соотношений, применяемых при анализе линейных электрических цепей.

Современные САПР (PSPICE, MICROCAP, OrCAD, DesignLab), как правило, имеют встроенные модели нелинейных компонентов, в т. ч. диодов, которые позволяют моделировать поведение схемы в широком диапазоне изменения токов и напряжений. На рис. 5.8, б приведена нелинейная схема замещения выпрямительного диода, применяемая в пакете PSPICE. Диод, изображен в виде нелинейного зависимого источника I(V), емкости p–n-перехода C и объемного сопротивления RS.

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.4. Модели выпрямительных диодов.

б

Рис. 5.8. Линейная (а) и нелинейная (б) схемы

замещения диода

В указанной модели нелинейный зависимый источник описывается выражением

Параметры математической модели диода приведены в табл. 5.1.

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.4. Модели выпрямительных диодов.

Vнеидеальности на участке пробоя

Раздел 4 Неуправляемые выпрямители

Критериями качества работы выпрямителя являются:

-отношение амплитуды к- ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

-отношение средневыпрямленного значения напряжения к действующему значению напряжения во вторичной цепи трансформатора.

-отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения.

m – фазность схемы выпрямления – число вторичных обмоток (1, 2 или 3),

–число периодов выпрямления (1 или 2).

— отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.

Критериями качества сглаживающего фильтра являются:

— коэффициент сглаживания:

, где — коэффициенты пульсации на входе и выходе соответственно.

.

К выпрямительному устройству предъявляются требования по качеству выходного напряжения, которое характеризуется :

В выпрямительном устройстве с трансформаторным входом существуют следующие способы регулированиявыходного напряжения:

1. Регулирование в цепи переменного тока (непрерывного и импульсного действия).

2. В звене выпрямления за счет использования полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, симисторов, динисторов).

3. В цепи постоянного тока на выходе выпрямительного устройства за счет использования стабилизаторов напряжения ( тока ) непрерывного или импулсьсного действия.

Полупроводниковый диод, как элемент выпрямительного устройства

Рассмотрим вольт- амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода и его схему замещения.

Основными параметрами полупроводникового диода являются:

• динамическое сопротивление диода ,

• обратное (статическое) сопротивление –,

I_пр — предельно допустимый средний прямой ток при включении п/п диода в однополупериодную схему выпрямителя с активной нагрузкой , частотой питающего напряжения 50 Гц с естественным охлаждением элемента и нормальной температурой окружающей среды,

U_пр— среднее прямое напряжения (падение на диоде) в открытом состоянии диода,

U_пор— пороговое напряжение, т.е противоЭДС, которая характеризует начальное смещение ВАХ диода и препятствует нарастанию прямого тока,

U_обр – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод длительно в закрытом состоянии, не подвергаясь опасности пробоя.

Для увеличения среднего прямого тока (I_пр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами.

При параллельной работе диодов из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (в одном из них будет преобладать средневыпрямленный ток ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.

Для выравнивания токов используются дополнительные элементы: для средней мощности – резисторы, для большой мощности — уравнительный реактор.

Величина резисторов R_В должна быть больше дифференциального сопротивления любого из диодов, чтобы ток в ветви определял именно резистор, а не диод.

Уравнительные реакторы работают так. Под действием токов (), протекающих по обмоткам W₁, W₂, в них наводится ЭДС. За счет разностного тока образуется поток Ф, который вызывает появление ЭДС самоиндукции. Там, где произошло превышение тока, ЭДС самоиндукции уменьшает скорость его нарастания, а где уменьшение – ток увеличивается.

Для увеличения U_обр диоды включают последовательно с выравнивающими элементами.

Для выравнивания напряжений (U_обр), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами, сопвротивления которых равны и в несколько раз меньше обратного сопротивления диода (ток резистивного делителя I_дел должен быть больше тока I_обр). Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напряжений не пригоден из- за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств применяют реактивные (конденсаторные) делители напряжения.

Глава 4. Полупроводниковые диоды Введение

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт‑амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p‑nперехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

4.1. Характеристики идеального диода на основе p‑nперехода

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:

а) вольт‑амперная характеристика;б) конструкция корпуса

, (4.1)

.

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

4.1.1. Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p‑nперехода является резкая асимметрия вольт‑амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p‑nперехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряженияU=0,01 В; 0,025 В;0,1 В; 0,25 В;1B. Получаем:

. (4.2)

Учтем, что величина  ^-1при комнатной температуре составляет В. Результаты расчета приведены в таблице.

Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_Gменьше, чем тепловой потенциалkT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значенияхV_Gпо крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциалkT/q, что при комнатной температуреТ = 300 К соответствует значению напряженияV_G =  0,1 В.

4.1.2. Характеристическое сопротивление

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_Dи сопротивление по постоянному токуR_D.

Дифференциальное сопротивление определяется как

. (4.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_Dневелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диодаI = 25 мА и значении теплового потенциалаkT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивленияr_Dбудет равна r_D = 1 Ом. На обратном участке вольт‑амперной характеристики диода дифференциальное сопротивлениеr_Dстремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R_Dопределяется как отношение приложенного напряженияV_Gк протекающему токуIчерез диод:

. (4.4)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R_D > r_D, а на обратном участке – меньшеR_D < r_D.

В точке вблизи нулевого значения напряжения V_G << kT/qзначения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (4.4), получаем:

. (4.5)

Используя характерное значение для обратного тока диода I₀ = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точкеR_D0 = r_D0 = 1 кОм. На рисунке 4.3а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

1.2.4. Расчет параметров выпрямителя

Если нагрузка выпрямителя носит индуктивный характер (например, Г-образный фильтр с индуктивностью), то вначале вычисляется значение напряжения холостого хода U_{d х.х}. Омические сопротивления дросселя r_др и трансформатора R_т находятся из зависимостей, представленных на рис. 13.

В маломощных выпрямителях можно пренебречь сопротивлением индуктивности рассеивания x_s, а в выпрямителях большой и средней мощности – активным сопротивлением R_т обмотки трансформатора. После определения напряжения U_d находятся прочие параметры выпрямителя.

Рис. 13. Аппроксимированные графики зависимостей сопротивлений r_др и R_т

1.3. Пример расчета

Рассчитать выпрямитель по следующим исходным данным: номинальное выпрямленное напряжение U_d н = 1000 В, номинальный выпрямленный ток I_d н = 10 А, коэффициент пульсаций на выходе k_{п вых} = 0,03, напряжение сети U_с= 220 В с частотой f_с = 50 Гц.

1.3.1. Выбор схемы выпрямителя

Определим сопротивление нагрузки: R_н = U_d н / I_d н; R_н = 1000 / 10 = 100 Ом.

Выпрямленная мощность P_d = U_d н ·I_d н; P_d = 1000 · 10 = 10 000 Вт.

При мощностях, превышающих 1 кВт, рекомендуется применять выпрямители трехфазного тока. Для уменьшения размеров трансформатора и фильтра выбираем схему Ларионова, имеющую высокие технико-экономические показатели.

1.3.2. Выбор вентилей

Для выбранной схемы определим средний ток через диод:

Ориентировочное значение обратного напряжения на вентиле U_обр m > 1,045 U_d н. Принимаем U_{обр m} = 1,1·1,045U_d н; U_{обр m} = 1,1·1,045·1000 = = 1150 В.

По справочным данным выбираем тип вентиля из таблицы прил. 2. В данном случае подходит диод типа Д234Б (12 вентилей, по два последовательно соединенных вентиля в каждом плече моста), который имеет следующие параметры: номинальный прямой ток I_{а н = 5 А; прямое падение напряжения Uа = 1,5 В; допустимое обратное напряжение} U_{обр доп = 600 В; среднее значение обратного тока} I_{обр = 3 мА.}

Рассчитаем значение выравнивающих сопротивлений R_ш = (0,1,…,0,2) R_обр, где Ом = 200 кОм. ВыбираемR_ш=0,15R_обр; R_ш = 0,15 · 200 = 30 кОм.

1.3.3. Выбор и расчет схемы фильтра

В трехфазных схемах выпрямления средней и большой мощности наиболее целесообразно использовать сглаживающий фильтр с индуктивной реакцией, т. е. начинающийся с дросселя. Необходимый коэффициент сглаживания фильтра с учетом явления коммутации

где k _{п вх} – коэффициент пульсаций на выходе вентильной группы.

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления Ларионова k_п = 0,057. Тогда коэффициент сглаживания S = (1,5,…,2,0) = 4.

Поскольку значение коэффициента сглаживания несущественно, выбираем простейший однозвенный L-фильтр.

Для схемы Ларионова f_о.г = 300 Гц. Тогда индуктивность дросселя

1.3.4. Расчет параметров выпрямителя

Прямое сопротивление вентиля Ом.

Коэффициенты для значений сопротивлений дросселя и трансформатора определяются по графикам рис.13 в зависимости от мощности выпрямителя:

R_т = 0,037R_н, R_т = 0,037·100 = 3,7 Ом;

r_др = 0,034R_н, r_др = 0,034·100 = 3,4 Ом.

Индуктивное сопротивление рассеивания обмотки трансформатора

Напряжение холостого хода для схемы Ларионова U_{d х.х} = 1000 + 10(2 · 2  0,3 + 3,7 + 3,4 + ) = 1095 В.

Параметры трансформатора (с учетом выбранной схемы Ларионова):

– напряжение на вторичной обмотке

U₂ = 0,43U_{d х.х}; U₂ = 0,43 · 1095 = 471 В;

– коэффициент трансформации

– ток вторичной обмотки I₂ = 0,82 I_dн; I₂ = 0,82·10 = 8,2 А;

– ток первичной обмотки A;

– типовая (габаритная) мощность трансформатора

S_тр= 1,045 U_d н· I_d н; S_тр= 1,045·1000 ·10 = 10 450 Вт.

Проверим нагрузочную способность выбранных вентилей, определив максимальное значение обратного напряжения:

U_{обр m}= 1,045 U_{d х.х} ; U_{обр m}= 1,045·1095 = 1144 В.

В данном примере для двух последовательно включенных диодов Д234Б

U_{обр m} < 2U_{обр доп} ; 2U_{обр доп} = 2·600 = 1200 В.

Следовательно, тип вентилей и схема их включения выбраны правильно.

Внешнюю характеристику выпрямителя (рис. 14) U_d = f (I_d), которая представляет собой прямую линию, строим по двум точкам: точке холостого хода (U_d = U_{d х.х}, I_d = 0) и точке номинальной нагрузки (U_d = U_d н, I_d = I_d н).

Рис. 14. Внешняя характеристика выпрямителя