править]По виду проводимости

[править]Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

[править]Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называютсяакцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

2.

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяют для развертки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройств, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во временя и т. п.

ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме, когда период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развертки в осциллографах, а ждущий режим - для получения ждущей развертки.

Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим (рис. 1) или линейно падающим (рис. 2).

 

Рис. 1 - Линейно изменяющееся нарастающее напряжение

 

Рис. 2 - Линейно изменяющееся падающее напряжение

Пилообразное напряжение характеризуется длительностью прямого или рабочего хода tр.х.в течении которого напряжение изменяется линейно; длительностью обратного хода tо.х., в течении которого напряжение обычно изменяется по экспоненте, и амплитудой Umax.

Принцип получения пилообразного напряжения заключается в медленном заряде (или разряде) кондера через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его разряде (или заряде) через малое сопротивление во время обратного хода. В упрощенном виде это показано на рисунке 3.

 

Рис. 3 - Принцип получения пилообразного напряжения

Кондер С заряжается при разомкнутом ключе К через резик Rз, а разряжается при замкнутом ключе К через резик Rр.

Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на кондере уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения кондер необходимо заряжать постоянным во все время заряда током. Поэтому смотрим на схемку:

 

Рис. 4 - Генератор пилообразного напряжения на транзисторах

Электронный ключ собран на транзисторе VT1 и управляется импульсами положительной полярности, транзистор VT2 - эмиттерный повторитель - является следящей связью. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс (рис. 5), транзистор VT1 закрыт и кондер С3 заряжается. Ток заряда все время остается постоянным, т. к. напряжение на верхнем выводе R2 следит за напряжением на кондере С3 на его нижнем выводе. Диод VD1 закроется и в течение всего времени дальнейшего формирования линейного нарастания напряжения будет закрыт. Формируется рабочий ход пилообразного напряжения.

 

Рис. 5 - Формирование прямого и обратного хода

При воздействии входного импульса транзистор VT1 открывается и кондер С3 быстро через него разряжается. Формируется обратный ход пилообразного напряжения. В это время кондер С2 подзаряжается до своего первоначального значения.

Билет 7

P-n - переход

p-n - ПЕРЕХОД (электронно-дырочный переход) - слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n-область) и дырочной (р-область) проводимостью. Различают гомопереход, получающийся в результате изменяющегося в пространстве легирования донорной и акцепторной примесями одного и того же полупроводника (напр., Si), игетеропереход ,в к-ром р-область и n-область принадлежат разл. полупроводникам. Термин "р - п.-П." как правило, применяют к гомопереходам.
Обеднённый слой. Из-за большого градиента концентрации электронов (п)и (обратного ему по знаку) градиента концентрации дырок (р)в р- n-П. происходит диффузионное перетекание электронов из п-об-ласти в р-область и дырок в обратном направлении. Его следствием является накопление избыточного положит. заряда в n-области и отрицательного - в р-области (рис. 1). При этом появляется электрич. поле, направленное из n-области в р-область, действие к-рого на электроны и дырки (при термодинамич. равновесии) компенсирует действие градиентов концентрации, т. е. диффузионные потоки электронов и дырок уравновешиваются дрейфовыми потоками во внутреннем электрич. поле Евн перехода. Поле Евнобусловливает диффузионную разность потенциалов VД (аналог контактной разности потенциалов), величина к-рой (для невырожденных носителей) в р- и n-областях выражается ф-лой

Здесь е - заряд электрона, Т - темп-pa полупроводника, ni - концентрация электронов в собств. полупроводнике, пп и рр - концентрации электронов и дырок в п- и р-областях. Внутр. электрпч. поле сосредоточено в обеднённом (запорном) слое р - n-П., где концентрации носителей обоих типов меньше концентраций основных носителей в р- и n-областях вдали от перехода (п<пп, р<рр), а мин. уровень суммарной концентрации электронов и дырок достигает значения (п+ р)мин= 2ni. Т. к. в обеднённом слое, как правило, разность концентрации свободных носителей мала по сравнению с разностью концентраций ионизиров. доноров (Nд) и акцепторов (Na), границы этого слоя с квазинейтральными р- и n-областями wp и wnмогут быть найдены (после приближённого интегрирования Пуассона уравненияв одномерном случае) из ф-л

где e - диэлектрпч. проницаемость полупроводника.

Рис. 1. Схематическое изображение р - n-перехода; чёрные кружки - электроны, светлые - дырки.

Т. к. Ферми уровень во всём полупроводнике при термодинамич. равновесии должен быть единым, то в области перехода энергетич. зоны полупроводника изгибаются (рис. 2), так что образуется потенциальный барьер, высота к-рого равна Vд.
Внеш. напряжение U, приложенное к р - n-П., в зависимости от знака уменьшает (прямое смещение, плюсы соответствуют р-области) или увеличивает (обратное смещение) напряжённость электрич. поля в обеднённом слое, сужая или расширяя его при этом. Зависимость положения границ слоя wn, wp, от смещения U может быть найдена из ф-л (2),
где следует заменить VД на VД - U (U > 0 при прямом смещении и U < 0 - при обратном). В случае резкого сильно асимметричного р+- п-П. (Na NД)с т. н. металлургич. границей (на к-ройNД - Na =0) x0 =0 и однородно легированной n-областью (Nд = const):

В случае плавного р - п-П. с пост. градиентом разности концентрацией доноров и акцепторов (Nд - Na = ах, а = const):

Рис. 2. Зонная диаграмма (н) и концентрации электронов и дырок (б) в области р - п-перехода; - дно зоны проводимости, - вершина валентной зоны; - уровень Ферми.

Определяемая толщиной обеднённого слоя w(U)= |wn(U) - wp(U)| зарядная ёмкость С3 р - п-П. уменьшается с ростом обратного смещения но закону С3 ~ (|U| + VД)-1/2 в случае ф-лы (3) (для резкого перехода) и Сз ~ (| U| + VД)1/3 - в случае ф-лы (4) (для плавного перехода). При увеличении прямого смещения зарядная ёмкость растёт. Измерение зависимости C3(U)позволяет исследовать изменение разности Nд(x) - Na(x)в р - п-П.

2.

Выпрямитель состоит из диодов и конденсатора служит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямители могут быть построены по иным схемам (не такой, которая на картинке). Свойства: это максимальный ток, максимальное выпрямляемое напряжение и коэффициент пульсаций.
Назначение: применение в устройствах источников питания.

никто правильно не написал. Электронный выпрямитель - это управляемый выпрямитель.

А раз упрявляемый значит управляемые вентили стоят. Самый простой пример - это
на тиристорах, в сварочнике постоянного тока.

Иначе бы он электронным бы не назывался. Был бы простой сборкой из диодов.

Билет 8

1. Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р-n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р-n-переход. Кремниевый р-n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р-n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср < 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср < 10 А) и большой (Iпp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а,а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р-n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (fмакс ? 300 МГц) и СВЧ (fмакс ? 300 МГц). Помимо статической емкости Сд точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр,то происходит лавинный пробой р-n-перехода,

при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р-n-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
Uст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном (см. рис. 1.8, а). Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мин и максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р-n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р-n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p-n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения (Uном = 4 В), максимальная Смакс и минимальная Смин емкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости Кс = Смакс/Смин), добротность Q, а также Uобр.макс.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n- и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р-n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р-n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток Io, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Еф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р-n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

2.

Трёхфазный выпрямитель (англ. Three phase rectifier) — устройство применяемое для получения постоянного тока из трёхфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского.

Схема трёхфазного ртутного выпрямителя по схеме В.Ф.Миткевича приведена в [3].

Три четвертьмоста параллельно (Миткевича В. Ф.) Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

(«Частично трёхполупериодный с нулевым выводом»). Площадь под интегральной кривой равна:

, где — максимальное (наибольшее) мгновенное значение ЭДС, — эффективное (действующее) значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора или генератора.

Средняя ЭДС равна:

На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода эдс обратносмещает (закрывает) диоды в ветви с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Относительное эквивалентное активное сопротивление при этом равно сопротивлению одной ветви При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно. Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках равно В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Отрицательные полупериоды в выпрямителе Миткевича не используются. Из-за этого выпрямитель Миткевича имеет очень низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора и применяется при малых мощностях.

Частота пульсаций равна , где — частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна .
Относительная амплитуда пульсаций равна .

Билет 9

1. Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n-переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

Переключение тиристора из закрытого состояния в отрытое происходит под действием сигнала управления, подаваемого на управляющий электрод тиристора. Обратное переключение тиристора из открытого состояния в закрытое осуществляется путем уменьшения до нуля прямого тока, протекающего через тиристор. Для этого, как правило, к тиристору прикладывают обратное напряжение.

Условное обозначение и внешний вид тиристора показаны на рис. 4.1.

Основные электроды тиристора, как и диода, обозначаются анод и катод. Управляющий электрод (УЭ) располагается рядом с катодом. Анод тиристора является основанием прибора, которое выполняют в виде шестигранника 1 и шпильки 2 с резьбой для крепления прибора в охладителе. Вывод катода 3 и управляющего электрода 4 изолируют от основания 1.

Основными типами тиристоров являются диодные (рис. 4.2, а) и триодные (рис. 4.2, б–г) тиристоры. В диодных тиристорах (рис. 4.2, а) переключение прибора из закрытого состояния в открытое осуществляется при превышении напряжения между анодом и катодом некоторого напряжения переключения , являющегося основным параметром динистора.

 

 

Рис. 4.1. Условное обозначение (а) и внешний вид тиристора (б)

 

В триодных тиристорах управление прибором происходит по цепи управляющего электрода. При этом с помощью управляющего электрода может осуществляться только одна операция открытия тиристора (однооперационный тиристор, рис. 4.2, б), либо открытие и закрытие тиристора (двухоперационные тиристоры, рис. 4.2, в). Прибор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях, называется симметричным тиристором (рис. 4.2, г) или симистором.

 

 

Рис. 4.2. Условные обозначения тиристоров: а – динистора; б – однооперационного
тиристора; в – двухоперационного тиристора; г – симистора

Принцип работы тиристора рассмотрим на примере однооперационного тиристора (рис. 4.2, б) как наиболее распространенного типа тиристора.

 

4.2. Вольт-амперные характеристики тиристора

Вольт-амперная характеристика тиристора при различных токах управления прибора изображена на рис. 4.3.

Обратная ветвь характеристики соответствует обратной полярности анодного напряжения , указанного на рисунке. При разомкнутой цепи управления или отсутствии тока управления обратная ветвь характеристики тиристора аналогична обратной ветви полупроводникового диода того же класса. В рабочем диапазоне напряжений от нуля до повторяющегося импульсного обратного напряжения , составляющего несколько сотен вольт, через прибор протекает очень маленький, порядка долей миллиампера, обратный ток . Благодаря этому тиристор при обратном включении обладает весьма большим сопротивлением.

Если к управляющему электроду УЭ тиристора приложить положительное (относительно катода) напряжение, то в цепи управления будет протекать ток , вследствие чего возрастает прямой ток, протекающий от анода к катоду тиристора.

Прямая ветвь характеристики тиристора изображена в первом квадранте системы координат, которой соответствует прямое анодное напряжение (рис. 4.3). Рабочим диапазоном, как и в случае обратной ветви, является диапазон напряжений от нуля до импульсного напряжения в закрытом состоянии .

Прямая ветвь характеристики имеет три характерные области. Первая область расположена между началом координат и точкой . Эта часть характеристики аналогична обратной ветви ВАХ p–n-перехода. Вторая область от точки до точки соответствует неустойчивому электрическому состоянию, при котором тиристор даже при незначительном превышении напряжения, называемого напряжением переключения , переходит в состояние малого сопротивления (точка ). Отрезок характеристики носит название участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В отличие от участка характеристики с положительным сопротивлением, на котором увеличение напряжения сопровождается увеличением тока, на участке отрицательного дифференциального сопротивления увеличение тока происходит при снижении напряжения.

 

 

Рис. 4.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

 

Третья область характеристики от точки до точки является областью высокой проводимости или малого сопротивления. Эта часть характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода и соответствует проводящему состоянию тиристора.

Если через цепь управления пропустить ток , то напряжение переключения тиристора из закрытого состояния в открытое уменьшится. Если ток управления увеличивать и дальше, то, начиная с некоторого значения, называемого током управления-спрямления , участок характеристики с отрицательным сопротивлением исчезает, ВАХ спрямляется и становится похожей на прямую ветвь ВАХ полупроводникового диода. При токе управления , превышающем ток управления-спрямления , тиристор обладает малым сопротивлением.

Особенностью тиристора является то, что он, переключенный в открытое состояние, будет находиться в этом состоянии сколь угодно долго даже при снятии управляющего сигнала. Это свойство позволяет включать тиристор с помощью коротких импульсов тока и тем самым значительно снизить затраты энергии на управление тиристором. Для переключения тиристора из открытого состояния в закрытое необходимо путем уменьшения напряжения в цепи нагрузки снизить прямой анодный ток до некоторого малого значения, называемого током удержания .

Рассмотренный режим переключения тиристора в открытое состояние за счет увеличения анодного напряжения используется только в схемах с динисторами.
В большинстве практических схем включение тиристора происходит по цепи управляющего электрода, т. е. путем подачи на него отпирающего импульса напряжения. Сущность этого метода заключается в следующем. В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания выбирается меньше напряжения переключения тиристора и принимается равным максимальному допустимому прямому напряжению .
В этом состоянии рабочая точка тиристора 1 располагается на прямой ветви ВАХ, соответствующей . Через тиристор и нагрузку протекает небольшой ток, соответствующий точке 1 этой ветви характеристики.

Для открытия тиристора в нужный момент времени на его управляющий электрод подается импульс управления, создающий в цепи управляющего электрода ток управления, превышающий ток управления-спрямления . Тиристор открывается, и рабочая точка 2 переходит на прямую ветвь характеристики . Ток, протекающий через тиристор в открытом состоянии, рассчитывается из соотношения , где – падение напряжения на открытом тиристоре, которое определяется как проекция рабочей точки 2 на ось прямого напряжения . Определение токов и напряжений тиристора удобно проводить с помощью линии нагрузки (рис. 4.3). Подробности ее построения приведены в подразд. 3.7. Здесь же просто ограничимся констатацией того, что для построения линии нагрузки на осях и откладываются две точки с координатами: на ось абсцисс и на ось прямого тока. Координаты точек 1 и 2 пересечения этой линии с вольт-амперной характеристикой определяют ток и напряжение на тиристоре соответственно в закрытом и открытом состояниях.

 

4.3. Электрические параметры тиристора

Основные характеристики и параметры тиристора совпадают с соответствующими параметрами вентилей, приведенными в подразд. 1.3.

Предельный и ударный токи, относящиеся к открытому состоянию тиристора, соответствуют таким же параметрам вентиля. Как и вентиль, тиристор характеризуется теми же параметрами по напряжению , относящимися к обратной ветви вольт-амперной характеристики. В этой связи остановимся на электрических параметрах, относящихся только к тиристору.

Прямая ветвь ВАХ тиристора характеризуется напряжением переключения (рис. 4.3), при котором тиристор переключается из закрытого состояния в открытое без подачи управляющего сигнала. На практике превышение этого напряжения приводит к открытию тиристора, что равносильно аварийному режиму. Поэтому разработчик ограничивает максимальную величину прямого напряжения значением – повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии. При этом класс тиристора определяется по наименьшему из значений повторяющихся напряжений и . К прямой ветви тиристора относится напряжение – наибольшее мгновенное значение неповторяющегося напряжения, приложенного к закрытому тиристору.

Новым параметром тиристора является ток удержания – наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии. Кроме того, часть электрических параметров характеризует цепь управляющего электрода тиристора:

напряжение управления, необходимое для того, чтобы в цепи управляющего электрода протекал отпирающий ток;

отпирающий ток – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для переключения тиристора из закрытого состояния в открытое.

В табл. 4.1 в качестве примера приведены основные параметры лавинного тиристора ТЛ 200, входящего в состав выпрямительной установки возбуждения (ВУВ) большинства электровозов переменного тока.

2.

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении Uвх=Uвх maxsin(ωt) , представлены на рис. 3.4-1б.

 

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

На интервале времени [0;T/2] полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале [T/2;T] диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

Uн ср=1T∫T0Uнdt=1T∫T/20Uвх maxsin(ωt)dt =

=−Uвх maxTωcos(ωt) |T/20≈Uвх maxπ =2√Uвх дπ,

где Uвх д — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

 

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

Iн ср=12π∫π0Imaxsin(ωt)dt≈Imaxπ=0,318⋅Imax,

где Imax — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

 

Действующее значение тока нагрузки Iн д (через диод протекает такой же ток):

Iн д=I2max2π∫π0sin(ωt)2dt−−−−−−−−−−−−−−−−−√=Imax2=0,5⋅Imax

 

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения Uн ср к действующему значению входного переменного напряжения Uвх д называется коэффициентом выпрямления (Kвып). Для рассматриваемой схемы Kвып=0,45.

Максимальное обратное напряжение на диоде Uобр max=Uвх max=πUн ср , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

Uн= 1πUвх max+12Uвх maxsin(ωt)−23πcos(2ωt)−

−215πUвх maxcos(4ωt)−…

 

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

Kп=Uпульс max01Uн ср=π2=1,57.

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

 

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

I1⋅w1=(I2–Iн ср)w2 ,

где I1, I2 — токи первичной и вторичной обмоток, а w1, w2 — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

 

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину Iн срw2w1.

Билет 10

1. Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующихтранзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

 

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

 

 

простейшая наглядная схема устройства транзистора

 

2.

Двухполупериодный выпрямитель с нейтральным выводом можно рассматривать как два одно-тактных однополупериодных вьшрямителя, работающих поочередно на общую нагрузку. [1]

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей. [2]

Двухполупериодный выпрямитель не дает строго постоянного напряжения, однако пульсация выпрямленного напряжения в пределах около 2 % от общего напряжения, подводимого к электролизеру, практически не влияет на результаты электролиза. [3]

Двухполупериодный выпрямитель выполнен в виде блока, который включает три секции. В каждой секции установлено по две полупроводниковых кремниевых шайбы. [4]

Двухполупериодный выпрямитель на лампе типа 5ЦЗС ( кенотрон с двумя анодами и напряжением накала 5 в) работает на нагрузку, присоединенную к средним точкам вторичных обмоток трансформатора ( фиг. [5]

Двухполупериодный выпрямитель без фильтра должен дать выпрямленное напряжение Ucf 500 в. [6]

Двухполупериодный выпрямитель на лампе типа 5ВХЗ ( выпрямительный диод с двумя анодами и напряжением накала 5 в) работает на потребителя, присоединенного к средним точкам трансформатора ( фиг. [7]

Двухполупериодный выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель представляет собой соединение двух однополупериодных - выпрямителей, питающих общую нагрузку R. На рис. 36 а показана схема с двумя вентилями, в которой вторичная обмотка трансформатора имеет отвод от средней точки. Когда напряжение в верхнем конце обмотки трансформатора положительно относительно средней точки, ток 1г идет через вентиль В1 в направлении, указанном стрелкой. [8]

Двухполупериодный выпрямитель рис. 73, а может быть использован для точного преобразования переменного напряжения в постоянное. Так как инвертирующий вход усилителя У2 соединен с помощью резистора R2 с выходным зажимом устройства, то благодаря этой цепи отрицательной обратной связи на выходе будет повторяться входное напряжение. Если же входное напряжение отрицательно, то откроются диоды Д2 и ДЗ. [9]

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением выходного напряжения ( схема Латура) изображен на рис. 8.7, а. Схема работает следующим образом. [10]

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением выходного напряжения ( схема Латура) изображен на рис. 8.7, а. Схема работает следующим образом. [11]

Билет 11.

1.

Полевые транзисторы