3. Вопросы для подготовки

1) Может ли через конденсатор протекать переменный ток?

2) Какое напряжение возникнет на конденсаторе, если его подсоединить к источнику синусоидального тока?

3) Чему равно сопротивление конденсатора протекающему по нему синусоидальному току?

4) Дайте определение амплитудно-частотной и фазочастотной характеристикам?

5) Как использовать законы Кирхгофа для RC-цепи, находящейся под воздействием синусоидального напряжения?

6) Как определить ток, протекающий через конденсатор, если известно приложенное к нему синусоидальное напряжение?

7) Как определить ток, протекающий через конденсатор, если приложенное к нему напряжение переменное, но не синусоидальное?

8) Как определяются верхняя и нижняя граничные частоты в RC-цепях?

9) Чему может быть равен максимальный фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями в интегрирующих и дифференцирующих цепях?

10) Как влияют на АЧХ интегрирующей RC-цепи сопротивление генератора и паразитная емкость нагрузки?

11) Может ли протекать постоянный ток через конденсатор?

4. Задания

1) Как изменится АЧХ дифференцирующей цепочки из-за влияния сопротивления генератора?

2) Как изменится АЧХ дифференцирующей цепочки из-за влияния паразитной емкости нагрузки?

3) Нарисуйте АЧХ следующих цепочек:

4) Нарисуйте ФЧХ для цепей, приведённых в предыдущем вопросе.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3

Диоды. Включение диодов

1. Цель занятия

Целью занятия является изучение основных типов диодов, их характеристик, способов включения и применения в электронных устройствах.

2. Краткие теоретические сведения

На основе p-n переходов изготовляют различные типы диодов.

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода, присоединённых к переходу.

Наиболее часто используются выпрямительные диоды. Они предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. превращения переменного тока в постоянный по направлению. При этом через выпрямительные диоды протекают достаточно большие токи, поэтому переходы в таких диодах имеют сравнительно большую площадь.

Вольтамперные характеристики выпрямительных диодов отличаются от аналогичных характеристик идеальных переходов (рис. 3.1). В области прямого смещенияперехода это отличие состоит в том, что при больших токах начинает сказываться собственное сопротивление слоёвp и n полупроводников, т.е. при больших токах наклон характеристики определяется сопротивлением того слоя проводника, который обладает большим сопротивлением. Этот слой полупроводника обычно называется базой диода.

При смещении p-n перехода в обратном направлении начинает сказываться сопротивление утечки p–n перехода, обусловленное токами, возникающими на поверхности p-n перехода.

Выпрямительные диоды характеризуются следующими основными параметрами:

–напряжение, которое создаётся на диоде при смещении его в прямом направлении и протекании через него рабочих токов. Обычно это напряжение для большинства кремниевых диодов равно примерно 0,6÷0,8 В;

–максимально допустимый ток, при котором диод ещё не теряет свои выпрямительные свойства из-за теплового пробоя перехода;

Рис. 3.1 Вольтамперные характеристики идеального

p-n перехода и реального диода

–максимальный ток диода, смещённого в обратном направлении, при обратных напряжениях не превышающих ;

–максимально допустимое обратное напряжение на диоде, при котором переход ещё не пробивается из-за чрезмерно высокой напряжённости поля, возникающей впереходе.

На основе выпрямительных диодов реализуются выпрямительные устройства. Простейшее выпрямительное устройство, выполненное на одном диоде, приведено на рис. 3.2. Изображение диода на схемах напоминает стрелку, которая показывает направление тока, протекающего через открытый диод.

Рис. 3.2 Простейшее выпрямительное устройство на одном диоде

Такое устройство может эффективно работать при выполнении условия , где – максимальное значение синусоидального напряжения. В этом случае при положительной полуволне напряжения ток будет протекать через диод и максимальное напряжение на резисторе будет равно (рис. 3.3). При отрицательной полуволне диод будет смещён в обратном направлении и ток через него будет практически отсутствовать, а, следовательно, практически нулю будет равно напряжение на нагрузочном сопротивлении.

Рис. 3.3 Напряжение на входе и выходе простейшего

выпрямительного устройства

Полученное напряжение на сопротивлении нагрузки уже нельзя назвать переменным, т.к. практически отсутствует его отрицательные значения, но и нельзя считать постоянным, т. к. значение положительного напряжения будут изменяться по величине. Чтобы избежать пульсаций положительного напряжения параллельно резистору целесообразно включить конденсатор (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Выпрямительное устройство с конденсатором

В приведённой на рис. 3.4 схеме будут происходить следующие процессы. Поскольку ток через диод будет протекать лишь при положительных полуволнах напряжения генератора, конденсатор зарядится до какого-то положительного напряжения . При условии, если в какие-то моменты времениконденсатор будет подзаряжаться до ещё большего значения напряжения. При условииконденсатор начнёт разряжаться. Процесс зарядки и разрядки конденсатора будет происходить через разные сопротивления. Зарядка конденсатора будет происходить в основном через малое сопротивление диода, смещённого в прямом направлении. Разрядка конденсатора будет происходить через сопротивление нагрузки. В практических случаях, поэтому зарядка конденсатора будет происходить быстрее, чем его разрядка. Поскольку напряжение входного генератора синусоидальное, процесс зарядки и разрядки будут сменять друг друга. При этом увеличение напряжения на конденсаторе должно равняться уменьшению напряжения в процессе разрядки. В итоге процесс зарядки и разрядки конденсатора будет иметь вид, представленный на рис. 2.15. Следует заметить, что чем с большей ёмкостью выбрать конденсатор, тем меньше будет пульсаций положительного напряжения.

Выпрямительные диоды, рассчитываемые на работу со сравнительно большими токами, имеют, как правило, достаточно большой корпус, обеспечивающий необходимый теплоотвод.

Рис. 3.5 Процесс зарядки и разрядки конденсатора в схеме,

представленной на рис. 3.4

На основе p-n перехода изготовляются стабилитроны. В стабилитронах используется управляемый пробой перехода при достаточно больших приложенных к нему обратных напряжениях. Вольтамперная характеристика стабилитрона при обратных напряжениях приведена на рис. 3.6.

Рис. 3.6 Вольтамперная характеристика стабилитрона

при обратном напряжении

До определённого обратного напряжения ток стабилитрона мал, как и токи в обычных выпрямительных диодах. При достижении обратного напряжения определённого уровня впереходе происходит управляемый пробой. Обычно он имеет лавинный характер, что приводит к резкому увеличению тока. Возникновение лавинообразного увеличения тока связано с тем, что обратное напряжение, большее определённой величины, создаёт вp-n переходе высокую напряжённость электрического поля, что вызывает ускорение движения в переходе неосновных носителей. Неосновные носители, ускоряясь и сталкиваясь с ионами основного полупроводника, вызывают возникновение новых неосновных носителей. В свою очередь новые неосновные носители вызывают появление и третьей генерации носителей. Так развивается лавина, которая приводит к резкому возрастанию тока. Однако, если напряжение напереходе уменьшить, лавина прекращается и ток резко убывает. Именно поэтому лавинный пробой в стабилитроне называется управляемым в отличие от неуправляемого пробоя, который приводит к выходу диода из строя.

Стабилитрон можно использовать для стабилизации напряжения. Для этого стабилитрон необходимо включить последовательно с токоограничивающим резистором (рис. 3.7).

Рис. 3.7 Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Закон Ома для приведённой цепи можно записать в следующем виде:

.

(3.1)

Поскольку ток и напряжение в стабилитроне связаны между собой нелинейной зависимостью, решение этого уравнения можно получить графически. На рис. 3.8 приведено графическое решение уравнения. Здесь кривая 1 является вольтамперной характеристикой диода. Прямая 2 соответствует уравнению . Пересечение кривой 1 и прямой 2 определяют рабочую точку стабилитрона. Очевидно, что изменение входного напряженияприведёт лишь к незначительному изменению напряжения на стабилитроне:(см. рис 3.8). Таким образом, стабилитрон выполняет роль стабилизатора напряжения.

Рис. 3.8 Токи и напряжения в схеме стабилизатора

напряжения (рис. 3.7)

На основе перехода изготовляются и варикапы – приборы, которые выполняют функцию конденсатора с ёмкостью, управляемой напряжением. Как уже объяснялось выше, в зонеперехода создаются области некомпенсированных положительных и отрицательных ионов примеси. При приложении кпереходу отрицательного напряжения зона перехода расширяется, и количество некомпенсированных положительных и отрицательных ионов возрастает. Это в общих чертах эквивалентно тому, как в конденсаторе на пластинах проводников, разделённых изолятором, при его зарядке накапливаются отрицательные и положительные заряды. Если пластины металлические, то на одной из них образуется избыток электронов, что эквивалентно накоплению отрицательного заряда, а на другой – недостаток, что эквивалентно положительному заряду. Некомпенсированные положительные и отрицательные ионы впереходе и их изменение можно рассматривать как ёмкость, которую называют барьерной.

Изменение заряда положительных и отрицательных ионов с приложением обратного напряжения происходит одновременно с расширением зоны перехода. Это можно интерпретировать, как удаление друг от друга пластин конденсатора. Именно поэтому ёмкостьперехода должна уменьшаться с ростом приложенного напряжения. Анализ показывает, что барьерная ёмкостьперехода убывает по закону, где– барьерная ёмкость перехода,– барьерная ёмкость перехода при нулевом напряжении на переходе, – напряжение, приложенное к переходу, – коэффициент пропорциональности, зависящий от технологии изготовления и конструкции варикапа. Зависимостьприведена на рис. 3.9. Следует заметить, что при положительном напряжении наp-n переходе барьерная ёмкость становится ещё больше. Более того при прямом смещении перехода начинает увеличиваться диффузионная ёмкость, обусловленная изменением заряда основных носителей в зонеперехода. Однако использовать барьерную и диффузионную ёмкостьперехода как обычный конденсатор практически невозможно. Дело в том, что при положительном напряжении сопротивлениеперехода резко уменьшается, что эквивалентно резкому снижению сопротивления изолятора между двумя металлическими пластинами обычного конденсатора.

Рис. 3.9 Зависимость барьерной ёмкости перехода