2.

P-N–переход, его свойства, работа. Прямое и обратное включение. Виды пробоев.

Вольт-амперная характеристика.

P-N–переход образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную электропроводность. Образование перехода: допустим, что концентрация электронов в n-области полупроводника равна концентрации дырок в p-области. На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок, вследствие чего происходит диффузия дырок из p-области и электронов из n-области полупроводника. В результате p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, а n-область— нескомпенсированный положительный заряд. Прямое подключение: когда P подключается к ‘+’, а N к ‘-‘.

сопротивление уменьшается и ток, протекающий через P-N-переход, увеличивается (это диффузионный ток), дрейфовый ток снижается.

Обратное подключение. Возрастает сопротивление P-N-перехода, диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток увеличивается.

Св-ва перехода: односторонняя проводимость ( т.е. при прямом включении ток проходит, при обратном практически равен 0 ); св-ва создавать собственное диффузионное поле; св-ва накапливать электрические заряды; переход зарядов из одной области в другую (св-во инжекции )

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины U_проб происходит резкое уменьшение сопротивления P-N-перехода. Это явление называют пробоем. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический делится на: Лавинный при котором происходит резкое увеличение обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении; туннельный возникающий при большой напряженности электрического поля в тонком p-n-переходе между высоколегированными полупроводниками в результате туннелирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то происходит дальнейший нагрев перехода и увеличение обратного тока, что может вызвать разрушение перехода. Это тепловой пробой.

Вольт- амперная характеристика.

1— прямая ветвь 2—обратная ветвь при лавинном пробое 3—обратная ветвь при тепловом пробое

4. Выпремители. Блок-схема. Назначение элементов. Классификация.

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Основ­ным элементом выпрямителей является полупроводниковый ди­од

Диод имеет два электрода - анод и катод. Если электрический потенциал на аноде выше, чем на катоде (V_A > V_к), то сопротивление диода практически равно ну­лю и он пропускает электрический ток, если V_A < V_к, сопротивление диода становится большим и поэтому ток через него протекать не может. Проводящее состояние диода часто называют прямым включением, а непроводящее - обрат­ным.

В блочном виде схема выпрямления имеет вид:

Трансформатор требуется, если имеется несоответствие между напряжениями сети и приемника. Фильтр предназначен для сглаживания пульсирующего напряжения. Стабилизатор обеспечивает неизменное по величине напряжение. В зави­симости от требований к напряжению, питающему приемник, некоторые блоки могут отсутствовать.

Классификация:

1. По числу фа выпрямленного напряжения:

А) однофазные

Б) трехфазные

В) многофазные

2. По мощности:

А) малые

Б) средние

В) большие

3. По типу диодов:

А) диодные

Б) тиристорные

4. По кол-ву периодов:

А) однопериодные

Б) двухполупериодные

5. По числу тактов протекающего тока:

А) однотактные

Б) двухтактные

5 Однополупериодная, однофазная схема выпрямления переменного тока. Работа. Временные диаграммы. Расчет.

Рассмотрим процессы и основные соотношения в однофазном однополупериодном выпрямителе при условии, что вентиль и трансформатор идеальные. В полупериод (t₀-t₁), когда U₂>0, диод VD проводит ток (диод открытый). Посколько диод идеальный, снижение напряжения на нем и все напряжение U₂ приложено к сопротивлению нагрузки R_н (U₂=U_H и i=U₂/ R_н). В конце этого полупериода U₂=0 и i=0. Затем (t₁-t₂) напряжение U₂ изменяет знак U₂<0, к диоду прикладывается отрицательное напряжение, и он закрывается (i=0 U_Н=0). В этом полупериоде диод будет находиться под обратным (зваротным) напряжением. Главные электрические параметры выпрямителей: I_н.сяр, U_н.сяр – средние значения тока и напряжения; P_н.сяр = U_н.сяр* I_н.сяр – мощность нагрузочного приспособления; U_аст.m – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения; K_п= U_аст.m /U_н.сяр – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения; I₁,U_1,I₂,U₂ – действующее значение тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора. В однополпериодном выпрямителе:

U_н.сяр=1/(2 π) U₂= π U_н.сяр/ = 2,22 U_н.сяр

Ток I_н.сяр равен прямому току диода: I_пр.сяр= I_н.сяр= U_н.сяр/ R_н= 0,45U₂/ R_н. Ток вторичной обмотки трансформатора i₂ равен току нагрузки. Тогда действующее значение этого тока I₂: I₂=π U_н.сяр/(2 R_н)=1,57 I_н.сяр. Мощность трансформатора S_TP=S₂= I₂*U₂=2,22* U_н.сяр*1,57* I_н.сяр=3,5* P_н.сяр. Коэффициент пульсации K_п определяется отнощением амплитуды первичной(главной) гармоники U_max/2 к выпрямленному напряжению U_max/ π ряда Фуръе. K_п= π U_max/ (2U_max)= π/2=1,57.

Преимуществоом этого выпрямителя является его простота, а недостатком – большой коэффициент пульсации и маленькие значения выпрямленного тока и напряжения.

6.. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Под выпрямителем переменного напряжения понимают процесс преобразования переменного напряжения в постоянное пли пульси­рующее. Выпрямление производят с помощью полупроводниковых, ламповых или других типов выпрямителей.

Неуправляемый выпрямитель часто изображают на схемах в виде большой треугольной стрелки с поперечной чертой у острия. Стрелка

показывает проводящее направление. Сопротивление выпрямителя в проводящем направлении в тысячи раз меньше, чем в непроводящем. По числу фаз выпрямленного переменного напряжения выпрями­тельные схемы делятся на однофазные и многофазные. Однофазные схемы подразделяют на схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрям­ления.

В однополупериодных схемах выпрям­ление производится в течение одного по­лупериода питающего напряжения, в двухполупериодных — в течение обоих полупериодов.

Две простейшие схемы однополупериодного выпрямления представлены на рис. в) 9.36, а и 9.37, а. Схема рис. 9.36, а состоит из источника синусоидального напряжения, выпрямителя и активного сопротив­ления R„. В схеме рис. 9.37, а нагрузка образована активным со­противлением R_u и индуктивностью L„.

Простейшая мостовая схема однофазного двухполупериодного вы­прямителя представлена на рис. 9.38, а. Она состоит из четырех выпря­мителей (1, 2, 3 и 4), источника выпрямляемого синусоидального напряжения и активной нагрузки R„.

Нa рис. 9.39, а изображена в. а. х. полупроводникового диода.

В целях облегчения анализа вместо нее будем пользоваться идеа­лизированной в. а. х., изображен­ной на рис. 9.39, б.

В соответствии с этой идеали­зированной характеристикой, ког­да через выпрямитель проходит ток, падение напряжения на нем равно нулю и, следовательно, соп­ротивление самого выпрямителя равно нулю. Когда напряжение на выпрямителе отрицательно (т. е. отрицательна взятая в направлении стрелки рис. 9.36, а разность потенциалов на самом выпрямителе), выпрямитель не проводит тока (i = 0) и сопротивление его рав­но бесконечности.

Рассмотрим работу схемы рис. 9.36, а. Кривая рис. 9.36, б харак­теризует э. д. с. источника питания схемы, кривая рис. 9.36, в — на­пряжение на нагрузке R_H. В первый полупериод, когда э. д. с. ис­точника положительна и действует согласно с положительным напра­влением напряжения на выпрямителе, выпрямитель пропускает ток и напряжение на нагрузке точно равно э. д. с. источника. Во второйполупериод, когда э. д. с. источника питания отрицательна, выпрями­тель не пропускает тока и напряжение на нагрузке равно нулю (в этот полупериод вся э. д. с. оказывается приложенной к выпрямителю). Таким образом, напряжение на нагрузке в схеме рис. 9.36, а имеет форму полусинусоид. Через U₀ обозначено среднее значение напряже­ния па нагрузке.

Рассмотрим работу мостовой схемы рис. 9.38, а, где источник си­нусоидальной э. д. с. е (t), выпрямители У, 2, 3, 4 и нагрузка R_H.

Источник э. д. с. включен в одну диагональ этой схемы, а нагрузка R_a — в другую. Выпрямители работают попарно.

В первый полупериод, когда э. д. с. е (I) действует согласно с по­ложительным направлением напряжения на выпрямителях 1 и 3, эти выпрямители проводят ток, а выпрямители 2 и 4 тока не проводят. Во второй полупериод, когда э. д. с. е (() изменит знак и действует согласно с положительным направлением напряжения на выпрямите­лях 2 и 4, ток проводят выпрямители 2 и 4, а выпрямители 1 и 3 тока не проводят. Направление протекания тока через нагрузку показано на рис. 9.38, а стрелкой. Ток через нагрузку протекает все время в од­ном и том же направлении. Форма напряжения на нагрузке иллюстри­руется кривой рис. 9.38, б.

7. Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Основным элементом выпрямителей является полупроводниковый диод. Различают однофазные и многофазные выпрямители. Из однофазных выпрямителей наиболее широко применяет­ся мостовая схема, состоящая из четырех диодов (рис. 2)

Два диода (V₁ , V₃ ) образуют катодную группу, другие два диода (V₂ ;V₄) - анодную группу. Провода, соединяющие разноименные электроды, являются входом выпрямителя, а провода, соединяющие одноименные электроды - выходом.

Из диодов катодной группы вступает в работу тот диод, на аноде которого наиболее высокий положительный потенциал, из анодной группы - диод, у которого на катоде находится отрицательный потенциал. Этот принцип справедлив для всех схем выпрямителей. Пусть в течении полупериода (t₁ - t₂) синусоидального напряжения U₂ потенциал у точки "а" положительный, а "в" -отрицательный. Тогда диоды V₁и, V₄ окажутся открытыми, а V₃ и V₂ - закрытыми ,и ток через приемник R_h протекает по цепи: точка'"а"- V₁ - R_h - V₄ - точка "в". В другой полупериод (t₂ – t₃) потенциалы в точках "а" и "в" изменяются на противоположные,' соответственно меняется и состояние диодов. Ток протекает по цепи: точка "в" - "- V₃ - R_h – V₂ - точка "а*. В результате при переменном напряжении на входе ток через приемник протекает в одном направлении, причем «+»выпрямителя отнимается с катодной группы, а «-» анодной.

Из анализа временных диаграмм (рис)видно, что:

8

Трехфазный однократный выпрямитель. Работа. Временные диаграммы.

Различают неуправляемые и управляемые выпрямительные уст­ройства. В неуправляемых выпрямительных устройствах для преобра­зования синусоидального тока в постоянный применяются полупро­водниковые диоды, в управляемых выпрямительных устройствах.

В трехфазных выпрямителях чаще применяется полумостовая и мостовая схемы (рис. 3,4).

В полумос­товой схеме име­ется только катод­ная группа. Входом выпрямителя являют­ся аноды диодов, а выходом - элек­троды катодной группы ( + ) и нейтральная точка трансформато­ра ( - ).

В полумос­товой схеме име­ется только катод­ная группа. Входом выпрямителя являют­ся аноды диодов, а выходом - элек­троды катодной группы ( + ) и нейтральная точ-ка трансформато­ра ('"- ).

В момент времени t₁ на аноде диода V1 окажется самый вы­сокий потенциал от фазы α (см. рис. 3,6) поэто­му он откроется. Через открытый диод V1 этот вы­сокий потенциал попадает на като­ды соседних дио­дов V2 и V3 и переводит их в за­крытое состояние. Такое состояние сохраняется в те­чение 1/3 периода ( τ₁-τ₂ ), при этом приемник по­лучает питание от фазы "а" и находится под фазным напряжением. В момент вре­мени t₂ происходит коммутация (переключение) диодов VI на VI и питание к приемнику поступает от фазы "в" и т.д. Таким образом происходит автоматическое подключение при­емника к тем фазам источника, на которых имеется самое высокое положительное напряжение. Из анализа временных диа­грамм следует, что в проводящем состоянии диода 1пр = Iн /3 а при закрытом диод находится под линейным напряжением, при этом наибольшее значение Uобр. = U_Amax =√ЗUф.max =2,34 U₂

Н а рис. 10.14, а показана схема трехфаз­ного выпрямителя. В каждый данный момент времени ток проводит только тот диод, который соединен с выводе той вторичной обмотки трехфазного тран­сформатора (a, b или с), напряжение на которой (и_а, и_ь или и_с) положительное и наибольшее. Кривая изменения вы­прямленного напряжения и_н совпадает с огибающей положительных полуволн напряжений вторичных обмоток (рис. 10.14,5).

9. Тиристоры

Тиристором называют электропреобразовательный полу­проводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, в вольт-ам­перной характеристике которого' имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления и который используется для пере­ключения. Материалом для изготовления тиристоров служит крем­ний.

Классификация и условное обозначение тиристоров

- диодные

-триодные

Управление по аноду:

Управление по катоду:

Применение: в управляемых выпрямителях

Принцип действия: При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 2.20, коллекторный p-n-переход закрыт(П₂), а эмиттерные переходы открыты(П_1,П₂). Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток .

10.

Выпрямителем называеться устройство , предназначенное для преобразавания переменного тока в постоянный. Осноыным элементом являеться полупроводниковый диод.

Выпрямители по применяемым элементам деляться на : управляемы и неупровляемые.

Отличием управляемых выпрямителей являеться использлвание управляемого диода –тиристора

(отличаеться наличием третьего управляющего элемента)

Схема упрв.выпрям. Временные диограммы a-угол регулирования,это разность начальных фаз U2 цепи управления

φа>φk

Как и диоды , тиристоры обладают односторонней проводимостью и могут находиться в двух состояниях открытом(прямое включение) и закрытом(обратное).

Переменное напряжение снимаеться с обмотки.Если управляющим импульсом открыть тиристоры во время положительных напряжений то ток через нагрузку будет протекать в одном напрвлении.При измининии фазы импульсов изменяеться длительность работы тиристора,а следовательно и величина напряжения на нагрузке.

Регулированиие осуществляеться измением угла –а от 0 до 180.

11.

Индуктивный фильтр включают последовательно с резистором R_Н. Включение индуктивного фильтра в однополупериодный выпрямитель существенно изменяет форму тока через резистор R_Н. В течении положительного полупериода напряжения u₂ , когда ток i_н нарастает, катушка L_ф запасает энергию, которая в отрицательный полупериод расходуется на поддержание нагрузочного тока. Длительность импульсов i_н определяют постоянной времени т= L_ф/ R_Н. Чем больше L_ф катушки, тем больше накопленная в ней энергия и длительность импульсов нагрузочного тока. Однако величина этих импульсов с ростом индуктивности уменьшается благодаря падению напряжения на катушке.

Индуктивный фильтр более эффективно работает в двухполупериодных выпрямителях. Импульсы тока, проходящие поочередно через вентили В₁ иВ₂, создают в нагрузочном резисторе R_Н непрерывный ток. При этом коэффициент пульсаций p значительно уменьшается. Эффективная работа индуктивного фильтра наблюдается при больших нагрузочных токах и малых сопротивлениях нагрузочного резистора. В то же при уменьшении нагрузочного тока i_н за счет эдс самоиндукции к закрытому вентилю будет прикладываться большое обратное напряжение, что может вывести его из строя.

12. Для снижения пульсаций выпрямляемого напряжения, т. е. уменьшения переменной составляющей, используют сглаживающие фильтры. Широкое применение получили емкостные фильтры. В них параллельно нагрузочному резистору выпрямителя подключается конденсатор, емкостное сопротивление которого для основной гармоники должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки. Благодаря этому переменная составляющая напряжения на нагрузке значительно уменьшается, и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения становится существенно меньше.

13

Зависимость U_Н (I_Н) называют внешней характерис­тикой выпрямителя (рис. 8.11). Она определяет границы изменений нагрузочного тока, при которых выпрямленное напряжение не умень­шается ниже допустимой величины и является одной из важнейших характеристик выпрямителя. Кривая 1 соответствует выпрямителю без фильтра. Она нелинейна, так как сопротивление открытого диода при изменении тока диода не остается постоянным. Кривая 2 соответ­ствует выпрямителю с емкостным фильтром и значительно отличается от кривой 1.

В режиме холостого хода ( I_Н = 0 ) выпрямленное напряжение выпрямителя с емкостным фильтром равно амплитудному значе­нию выпрямляемого напряжения U_mxx , а выпрямителя без фифильтра в том же режиме – среднему значению этого напряжения: U_нxx = U_m/π – для однопериодного и U_нxx = (2U_m)/π – двуполупериодного выпрямителей. С ростом то­ка кривая 2 изменяется более резко, чем кривая 1. Это объясняется тем, что при на­личии емкостного фильтра снижение напря­жения U_Н с ростом тока I_Н , вызванного уменьшением сопротивления R_Н происходит не только за счет увеличения падения на­пряжения на сопротивлениях вентиля и вто­ричной обмотки трансформатора, но и за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление R_Н, что, естественно, приводит к дополнительному снижению сред­него значения выпрямленного напряже­ния U_Н. Внешняя характеристика Г-образного RC-фильтра (кривая 3) имеет больший наклон, чем кривая 2 для выпрямителя с емкостным фильтром. До­полнительное снижение напряжения в этом фильтре вызвано паде­нием напряжения на последовательно включенном резистора R_Ф.