- •Силовая электроника
- •1. Полупроводниковые приборы
- •1.1. Электропроводность полупроводников
- •1.1.1. Образование носителей заряда в собственных полупроводниках
- •1.1.2. Образование носителей заряда в примесных полупроводниках
- •1.1.3.Дрейфовое и диффузионное движение носителей заряда
- •1.2.Полупроводниковые диоды
- •1.2.1.Принцип действия и вольтамперная характеристика (вах) диода
- •1.2.2. Виды диодов
- •1.3. Биполярные транзисторы
- •1.3.1. Принцип действия транзистора.
- •1.3.2.Статические вах транзистора
- •1.4. Униполярные (полевые) транзисторы.
- •1.4.1. Полевые транзисторы с p-n переходом.
- •1.4.2. Мдп - транзисторы.
- •1.5. Тиристоры
- •1.5.1. Классификация тиристоров
- •1.5.2. Принцип работы диодного тиристора
- •1.5.3. Принцип работы триодного тиристора.
- •2. Усилители
- •2.1.Назначение и классификация усилителей
- •2.2. Принцип построения усилительных каскадов.
- •2.3. Усилительный каскад с общим эмиттером.
- •2.4. Многокаскадные усилители с конденсаторной связью.
- •2.5. Усилители мощности.
- •2.5.1 Усилитель мощности класса а с трансформаторным включением нагрузки (рисунок 2.6)
- •2.5.2. Двухтактный усилитель мощности (рисунок 2.7)
- •2.6. Усилители с обратной связью
- •2.7.Усилители постоянного тока (упт)
- •2.8. Операционные усилители (оу).
- •2.8.1. Инвертирующий усилитель (рисунок 2.19)
- •2.9.1. Компараторы. Триггер Шмитта
- •2.9.2. Мультивибраторы
- •2.9.3. Одновибраторы
- •3. Выпрямители
- •3.1. Структурная схема источника питания постоянного напряжения
- •3.1. Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель с нулевым выводом.
- •3.2.1. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.
- •3.2.2. Работа выпрямителя при активно-ёмкостной нагрузке
- •3.3. Однофазный мостовой выпрямитель
- •3.4. Мостовой выпрямитель с нулевой точкой трансформатора
- •3.5. Трёхфазный выпрямитель с нулевым выводом
- •3.6. Трёхфазный мостовой выпрямитель
- •3.6. Управляемый выпрямитель однофазного тока
- •4. Коммутация однооперационных тиристоров
- •4.1. Узлы параллельной коммутации.
- •4.2. Узлы последовательной коммутации
- •5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения
- •5.1. Методы импульсного регулирования постоянного напряжения
- •5.2. Иппн с параллельной коммутацией и коммутирующим контуром, подключаемым параллельно силовому тиристору
- •5.3. Иппн с последовательной коммутацией
- •6. Инверторы.
- •6.1. Автономные инверторы тока (аит)
- •6.1.1. Однофазный параллельный инвертор тока.
- •6.1.2. Трехфазный параллельный аит
- •6.2. Автономные резонансные инверторы (аир).
- •6.2.1. Последовательный аир
- •6.2.2. Последовательный аир со встречными диодами.
- •6.3. Автономные инверторы напряжения.
- •6.3.1. Способ формирования выходного напряжения инвертора в виде импульсов чередующейся полярности и одинаковой длительности.
- •6.3.2. Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения инвертора.
- •6.3.2.1. Шир с зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения.
- •6.3.2.2. Шир с не зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения.
- •6.3.3. Формирование кривой выходного напряжения инвертора с уменьшенным содержанием гармонических.
- •7. Оптоэлектроника
- •7.1. Управляемые источники света
- •7.2. Фотоприёмники.
- •2.Фотодиоды.
- •3. Фототранзисторы (рисунок 7.8).
- •4. Фототиристоры.
- •7.3. Световоды и простейшие оптроны
- •8. Цифровая техника
- •8.1.Аксиомы, законы, тождества и теоремы алгебры логики
- •8.2. Логические элементы на диодах и биполярных транзисторах.
- •8.2.1. Логический элемент или.
- •8.2.2. Логический элемент и.
- •8.2.3. Логический элемент не.
- •8.2.4. Логический элемент или-не.
- •8.2.5. Логический элемент и-не.
- •8.3. Параметры логических элементов.
- •8.4.Логические элементы на полевых транзисторах.
- •8.4.1. Логический элемент не.
- •8.4.2. Логический элемент или-не.
- •8.4.3.Логический элемент и-не.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Тольяттинский государственный университет
Институт энергетики и электротехники
Кафедра «Промышленная электроника»
В.А. Медведев
Силовая электроника
Курс лекций
Тольятти
ТГУ
2014
1. Полупроводниковые приборы
1.1. Электропроводность полупроводников
Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Особенность электропроводности полупроводников обуславливается спецификой распределения по энергии электронов атомов, которая характеризуется энергетической диаграммой полупроводника.
Рисунок 1.1 Рисунок 1.2
В соответствии с принципами квантовой механики электроны атомов могут обладать определенными значениями энергии и находиться на определенных (разрешенных) энергетических уровнях (рисунок 1.1). В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов. Электроны низших уровней связаны с атомами сильнее, чем электроны высших уровней. То есть по мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, связь его с атом ослабевает.
В отсутствии внешних воздействий, увеличивающих энергию электронов, атом находится в исходном (невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами – а верхние свободны. При наличии внешних воздействий (тепловые кванты- фононы, кванты света- фотоны, электрическое поле, магнитное поле и т. д.), электроны атома переходят на более высокие энергетические уровни или вовсе освобождаются от атомов и становятся свободными. При этом внешнему воздействию подвержены электроны верхних уровней, слабее связанных с атомом.
Вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смешанные уровни энергии- подуровни (рисунок 1.2). Подуровни образуют зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в группе.
На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы. В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки запрещённая зона между соседними атомами разрешенных уровней может сохраниться или её может не быть. Эти две вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три класса кристаллических тел:
Проводники
Диэлектрики
Полупроводники
Рисунок.1.3 Рисунок 1.4 Рисунок 1.5
В металлах (рисунок 1.3) энергетическая диаграмма представляет собой непрерывный спектр разрешенных значений энергии, в полупроводниках (рисунок 1.4) и диэлектриках (рисунок 1.5)- прерывистый. Зоны разрешенных значений разделены запрещенной зоной . На энергетических диаграммах можно выделить две зоны разрешенных значений - нижнюю (заполненную или валентную) и верхнюю (свободную или зону проводимости). В отсутствии внешних воздействий на электроны и при все уровни нижней зоны заполнены электронами, а в верхней зоне электронов нет.
В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне (рисунок 1.3). Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону проводимости. Поэтому уже при воздействии только электрического поля в металле имеется большое количество свободных электронов, обеспечивающих его высокую электропроводность.
В полупроводниках (рисунок 1.4) свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии . Величина определяет энергию в электрон-вольтах, которую нужно сообщить электрону, чтобы он перешел с верхнего энергетического уровня в валентной зоне на нижний энергетический уровень в зоне проводимости. Необходимость сообщения достаточно большой энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и уменьшает электропроводность материала. Способность преодоления электронами запрещенной зоны зависит от внешних факторов, особенно от температуры. Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел не превышает 3 эВ. Их электрическая проводимость возникает при .
Диэлектрики (рисунок 1.5) отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. У них . Поэтому проводимость диэлектриков мала и становится заметной при или сильных электрических полях (пробой).