31. Электронным прибором называется устройство, действующее на принципе использования явление движения электрона в высоком вакууме, газовой среде, твердом теле, жидкости, плазме. Кроме того, в них используются тепловые, оптические, акустические, магнитные, механические явления.
Соответственно различают электронные приборы.
Электровакуумные (электронные), в которых газ практически не влияет на полет электронов (давление 10-5...10-6мм рт. ст. или 10-4...10-5 Па).
Ионные (газоразрядные) — давление газа от 10-3 Па до нормального. В результате соударения газ ионизируется (вода, ртуть, газы, пары воды).
Полупроводниковые — используются явления в кристаллической структуре вещества (твердого и жидкого).
Хемотронные — используются явления в жидкостях. Приборы функциональной электроники (полупроводниковые и из других материалов).
По выполняемым функциям приборы делят на группы:
Электропреобразовательные — преобразуют электрическую энергию одного вида в другую (генераторы, выпрямители, умножители, усилители и т.д.) - лампы, полупроводниковые диоды и транзисторы и т.п..
Электросветовые (электронно-оптические) — преобразуют электрическую энергию в световую (в разных областях спектра) — электронно-лучевые трубки, индикаторы, светодиоды, лазерные диоды, электронно-оптические приборы и др.
Фотоэлектрические — преобразуют световую энергию (в разных областях спектра) в электрическую — фотоэлементы, фотодиоды, фоторезисторы, передающие телевизионные трубки и т.п.
Термоэлектрические — преобразуют тепловую энергию в электрическую (термоэлектрогенераторы).
Механоэлектрические — преобразуют механическую энергию в электрическую (механотроны, акусто-электронные приборы и т.п.).
Электро-криогенные приборы — преобразуют электрическую энергию в “холод” (полупроводниковые холодильники и пр.).
32. Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод - самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.
На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.
Диод в состоянии покоя
Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.
Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.
Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникаетдиффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.
Обратное включение диода
Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания - плюс к катоду, минус к аноду.
В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.
Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.
Прямое включение диода
Меняем полярность источника питания - плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток ID.
Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.
Недостатки реального полупроводникового диода
На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.
При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения Vϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов Vϒ - это примерно 0.7V, а для германиевых - около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.
Выпрямитель — это сердце блока питания. Его функция — преобразование входного переменного напряжения в постоянное напряжение. В блоках питания применяются три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая.
На рисунке изображена схема однополупериодного выпрямителя. Диод размещен последовательно с нагрузкой. Из-за наличия диода ток в цепи течет только в одном направлении.
Результат работы однополупериодного выпрямителя в течение положительного полупериода синусоиды можно увидеть на следующем рисунке.
Диод смещен в прямом направлении, что позволяет току течь через нагрузку. При этом в течение положительного полупериода на нагрузке выделяется мощность.
На рисунке представлен результат работы однополупериодного выпрямителя в течениеотрицательного полупериода синусоиды. Диод теперь смещен в обратном направлении и не проводит ток. Так как через нагрузку не течет ток, то на ней нет и падения напряжения.
Однополупериодный выпрямитель работает только в течение одной половины периода. Выходное напряжение представляет собой последовательность положительных или отрицательных импульсов, в зависимости от того, как диод включен в цепь. Частота импульсов такая же, как и частота входного напряжения. Частота импульсов называется частотой пульсаций.
Полярность выходного напряжения зависит от того, каким способом диод включен в цепь
Ток электронов течет через диод от катода к аноду. Когда ток течет через диод, на выводе катода возникает дефицит электронов, делая этот вывод диода положительным. Полярность выходного напряжения блока питания может быть изменена путем изменения способа включения диода.
Однополупериодный выпрямитель имеет серьезный недостаток, так как ток через него течет только в течение половины каждого периода. Чтобы избавиться от этого недостатка, используетсядвухполупериодный выпрямитель.