P-n-переход и его свойства

Действие полупроводниковых устройств основано на использовании параметров полупроводников. Полупроводники занимают среднее положение меж проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы Повторяющейся системы частей Д.И. Менделеева, которые на наружной оболочке имеют четыре валентных электрона. Обычные полупроводники – Ge (германий) и Si (кремний).

Незапятнанные полупроводники кристаллизуются в виде решетки, рис. 65, а. Любая P-n-переход и его свойства валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов, и атом находится в состоянии равновесия. Чтоб «вырвать» электрон в зону проводимости, нужно затратить огромную энергию.

Незапятнанные полупроводники владеют высочайшим удельным сопротивлением (от 0,65 Ом×м до 108 Ом×м). Для понижения высочайшего удельного сопротивления незапятнанных полупроводников в P-n-переход и его свойства их вводят примеси, таковой процесс именуется легированием, а надлежащие полупроводниковые материалы легированными. В качестве легирующих примесей используют элементы III и V групп Повторяющейся системы частей Д.И. Менделеева.


Элементы III группы имеют три валентных электрона, потому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном, рис. 65, б P-n-переход и его свойства. Такие полупроводники владеют дырочной электропроводностью, потому что в их основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место незанятое электроном, которому присваивается положительный заряд. Такие полупроводники также именуются полупроводникамиp-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался недочет электронов, именуется акцепторной.

Элементы V группы имеют 5 валентных электронов, потому при образовании P-n-переход и его свойства валентных связей один электрон оказывается излишним, рис. 65, в. Такие полупроводники владеют электрической электропроводностью, потому что в их основными носителями заряда являются электроны. Они именуются полупроводниками n-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался излишек электронов, именуется донорной.

Удельное электронное сопротивление легированного полупроводника значительно находится в зависимости от концентрации примесей. При P-n-переход и его свойства концентрации примесей 1020 ¸ 1021 на 1 см3 вещества оно может быть снижено до 5×10-6 Ом×м для германия и 5×10-5 Ом×м для кремния.

Основное значение для работы полупроводниковых устройств имеет электронно-дырочный переход, которыйназывают p-n-переходом(область на границе 2-ух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой P-n-переход и его свойства – электрическую электропроводность).

На практике p-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. К примеру, при внедрении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем появляется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа.

Схематически образование p-n-перехода при соприкосновении 2-ух полупроводников с разными типами P-n-переход и его свойства электропроводности показано на рис. 66. До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки, ионы были распределены умеренно, рис. 66, а.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа. В итоге поблизости границы 2-ух P-n-переход и его свойства полупроводников появляется слой, лишенный подвижных носителей заряда и потому владеющий высочайшим удельным сопротивлением, - так именуемый запирающий слой рис. 66, б. Толщина запирающего слоя l обычно не превосходит нескольких микрометров.


Расширению запирающего слоя препятствуют недвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электронный слой. Этот P-n-переход и его свойства слой определяет контактную разность потенциалов Δjк на границе полупроводников, рис. 67. Появившаяся разность потенциалов делает в запирающем слое электронное поле напряженностью Eзап, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В тоже время электроны могут свободно двигаться из P-n-переход и его свойства полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, как и дырки из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа. Таким макаром, контактная разность потенциалов препятствует движению главных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Но при движении через p-n-переход неосновных носителей (дрейфовый ток Iдр) происходит понижение контактной разности потенциалов P-n-переход и его свойства, что позволяет некой части главных носителей, владеющих достаточной энергией, преодолеть возможный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов. Возникает диффузионный ток Iдиф, который ориентирован навстречу дрейфовому току Iдр, другими словами появляется динамическое равновесие, при котором Iдр= Iдиф.


Если к p-n-переходу приложить наружное напряжение Uобр, которое делает в запирающем P-n-переход и его свойства слое электронное поле напряженностью Евн, совпадающее по направлению с полем недвижных ионов напряженностью Езап, рис. 68, а, то это приведет к расширению запирающего слоя, потому что носители заряда уйдут от контактной зоны. При всем этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, потому что обоснован движением P-n-переход и его свойства неосновных носителей заряда. В данном случае ток именуют оборотным Iобр, а p-n-переход – закрытым.

При обратной полярности источника напряжения, рис. 68, б наружное поле ориентировано навстречу полю двойного электронного слоя, толщина запирающего слоя миниатюризируется. Сопротивление p-n-перехода резко понижается и появляется сравнимо большой ток. В данном случае ток именуют прямым Iпр P-n-переход и его свойства, а p-n-переход – открытым.


На рис. 69 показана вольт-амперная черта p-n-перехода. Пробой p-n-перехода связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электронного поля неосновные носители заряда получают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное P-n-переход и его свойства размножение носителей заряда, что приводит к резкому повышению оборотного тока через p-n-переход при практически постоянном оборотном напряжении. Этот вид электронного пробоя именуют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует появлению лавинного пробоя P-n-переход и его свойства, потому что передвигающиеся носители не получают энергии, достаточной для ударной ионизации. В таких полупроводниках может быть появление эффекта Зенера, когда при достижении критичной напряженности электронного поля в p-n-переходе за счет энергии поля возникают пары носителей электрон – дырка, и значительно растет оборотный ток p-n-перехода.

для электронного P-n-переход и его свойства пробоя свойственна обратимость, заключающаяся в том, что начальные характеристики p-n-перехода стопроцентно восстанавливаются, если понизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электронный пробой употребляют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодиках.

Рис. 69. Вольт-амперная черта p-n-перехода


Если температура p-n-перехода растет в P-n-переход и его свойства итоге его нагрева оборотным током и недостающего теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к предстоящему повышению оборотного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Таковой процесс именуют термическим пробоем. Термический пробой разрушает p-n-переход.

В сильнолегированных полупроводниках может появляться квантово-механический P-n-переход и его свойства туннельный эффект, который заключается в том, что при очень малой толщине запирающего слоя главные носители могут преодолевать запирающий слой без конфигурации энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках.

Закрытый p-n-переход обладает электронной емкостью, которая находится в зависимости от его площади и ширины, также от диэлектрической P-n-переход и его свойства проницаемости запирающего слоя.

Характеристики p-n-перехода обширно употребляются в полупроводниковых устройствах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодиком именуют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный p-n переход.

По конструктивному выполнению полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды представляют собой p-n-переход с 2-мя металлическими контактами, присоединенными к p P-n-переход и его свойства- и n- областям. В точечном диодике заместо плоской употребляется конструкция, состоящая из пластинки полупроводника и железного проводника в виде острия. При сплавлении острия с пластинкой появляется микропереход. По сопоставлению с плоскостным диодиком падение напряжения на точечном в прямом направлении сильно мало, ток в оборотном направлении существенно изменяется зависимо P-n-переход и его свойства от напряжения. Точечные диоды владеют малой межэлектродной емкостью.

Разглядим некие группы полупроводниковых диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диодик употребляется для выпрямления переменного тока.

Обычная вольт-амперная черта выпрямительного диодика подобна характеристике, представленной на рис. 69. Главным свойством выпрямительного диодика является огромное различие сопротивлений в прямом и оборотном направлениях, что обуславливает вентильные характеристики P-n-переход и его свойства выпрямительного диодика, т.е. способность пропускать ток в большей степени в одном (прямом) направлении. Электронные характеристики выпрямительного диодика: прямое напряжение Uпр, которое нормируется при определенном прямом токе Iпр; очень допустимый прямой ток Iпр max; очень допустимое оборотное напряжение Uобр max; оборотный ток Iобр, который нормируется при определенном оборотном напряжении P-n-переход и его свойства Uобр; межэлектродная емкость, сопротивление неизменному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитронполупроводниковый диодик, напряжение на котором в области электронного пробоя слабо находится в зависимости от тока.

Вольт-амперная черта стабилитрона приведена на рис. 70.

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне Uст только некординально меняется при огромных конфигурациях тока стабилизации Iст.

Рис P-n-переход и его свойства. 70. Вольт-амперная черта стабилитрона


Главные характеристики стабилитрона: напряжение на участке стабилизации Uст; динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд=dUст/dIст; малый ток стабилизации Iст min; наибольший ток стабилизации Iст max; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации ТКU=(dUст/dТ)×100.

Стабилитроны употребляются для стабилизации и ограничения напряжения, также в качестве источника опорного P-n-переход и его свойства (эталонного) напряжения в прецизионной измерительной технике.

Туннельный диодик – это полупроводниковый диодик, в каком благодаря использованию высочайшей концентрации примесей появляется очень узенький барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через p-n-переход. Черта туннельного диодика имеет область отрицательного сопротивления, т. е. область, в какой положительному приращению напряжения соответствует P-n-переход и его свойства отрицательное приращение тока (пунктирная линия на рис. 69).

Варикап– полупроводниковый диодик, в каком употребляется зависимость емкости p-n-перехода от оборотного напряжения, который предназначен для внедрения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Фотодиодполупроводниковый диодик, в каком в итоге освещения p-n-перехода увеличивается оборотный ток.

Светодиод-полупроводниковый диодик, в каком в режиме P-n-переход и его свойства прямого тока в зоне p-n-перехода появляется видимое либо инфракрасное излучение.

фотодиоды употребляются в солнечных батареях, используемых на галлактических кораблях и в южных районах земного шара. светодиоды находят применение для индикации в измерительных устройствах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других устройствах.

Условные графические обозначения рассмотренных полупроводниковых диодов представлены P-n-переход и его свойства на рис. 71.

Рис.71 Условные графические обозначения полупроводниковых диодов: а – вентильного диодика; б – стабилитрона; в – туннельного диодика; г – варикапа; д – фотодиода; е - светодиода


Биполярные транзисторы

Транзисторомназывают трехэлектродный полупроводниковый прибор, служащий для усиления мощности электронных сигналов. Не считая усиления транзисторы употребляют для генерирования сигналов, их разных преобразований и решения P-n-переход и его свойства других задач электрической техники.

Различают два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Заглавие биполярного транзистора разъясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов 2-ух символов – отрицательных и положительных (электронов и дырок). Термин же транзистор происходит от британских слов transfer – переносить и resistor – сопротивление, т.е. в их происходит изменение P-n-переход и его свойства сопротивления под действием управляющего сигнала.

На рис. 72 показана структура такового транзистора и его обозначение на схемах.

Биполярный транзистор состоит из 3-х слоев полупроводников типа «p» и «n», меж которыми образуются два p-n перехода. В согласовании с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяют на два P-n-переход и его свойства типа: p-n-p, рис. 72, а и n-p-n , рис. 72, б. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Эмиттер и коллектор соединяют с последними областями (слоями), имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают таким P-n-переход и его свойства макаром, чтоб на переход эмиттер – база было подано напряжение в прямом направлении, а на переход база – коллектор в оборотном направлении.


По спектрам применяемых частот транзисторы делятся на низкочастотные (до 3МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (выше 300 МГц). По мощности транзисторы делятся на малой мощности (до 0,3Вт), средней P-n-переход и его свойства мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт), большой мощности (выше 1,5Вт).

При подключении эмиттера транзистора типа p-n-p к положительному зажиму источника питания появляется эмиттерный ток Iэ рис. 73. Стрелкой обозначено движение носителей заряда. Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями P-n-переход и его свойства заряда. Дырки отчасти рекомбинируют с электронами базы. Потому что напряжение питания коллектора во много раз (примерно в 20 раз) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы производится очень узким, то электронное сопротивление цепи базы выходит высочайшим и ток, ответвляющийся в цепь базы Iб, оказывается малозначительным. Большая часть дырок добиваются коллектор P-n-переход и его свойства, образуя коллекторный ток Iк.

при этом где a - коэффициент передачи тока, фактически a @ 0,95¸0,995.

Рис. 73. Принцип деяния биполярного транзистора


Ток коллектора Iк превосходит ток базы Iб от 20 до 200 раз. Это разъясняет возможность усиления при помощи транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Вправду, если подавать P-n-переход и его свойства напряжение сигнала в цепь базы, то в согласовании с напряжением сигнала будет изменяться сопротивление p-n-перехода меж эмиттером и базой. Это изменяющееся сопротивление включено в коллекторную цепь, что приведет к соответственному изменению тока коллектора, который во много раз больше тока базы.

Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в P-n-переход и его свойства нем будет выделяться мощность, во много раз бóльшая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При всем этом следует подразумевать, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип деяния транзистора типа n-p-n вточности такой же, как у рассмотренного выше транзистора p-n-р.

Вольт P-n-переход и его свойства-амперные свойства транзистора отличаются зависимо от схемы его включения: с общим эмиттером (ОЭ), собщей базой(ОБ) либо с общим коллектором (ОК,), рис. 74.

а
Рис. 74. схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором


Различают последующие главные вольт-амперные свойства транзистора:

1. Входная - зависимость входного тока P-n-переход и его свойства от входного напряжения при неизменном выходном напряжении

2. Семейство выходных черт - зависимость выходного тока от выходного напряжения при различных (фиксированных) значениях входного тока

На рис. 75 представлены вольт-амперные свойства биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.75. Вольт-амперные свойства биполярного транзистора с общим эмиттером: входная (а) и P-n-переход и его свойства семейство выходных (б)


В более всераспространенных транзисторах маленький мощности ток базы составляет 10-ки либо сотки микроампер, напряжение на базе меняется от нуля до нескольких 10-х толикой вольта. Коллекторный ток на выходных свойствах транзисторов маленькой мощности меняется от нуля до единиц либо 10-ов миллиампер, напряжение на коллекторе – от нуля до одного P-n-переход и его свойства-двух 10-ов вольт.

Полевые транзисторы

Полевымназывают транзистор, управляемый электронным полем, либо транзистор с управляемым каналом для тока.

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют высочайшее входное сопротивление и потому требуют очень малых мощностей для управления.

Ток в полевом транзисторе создается носителями заряда только 1-го знака (электронами либо дырками), вследствие чего P-n-переход и его свойства эти транзисторы нередко именуют униполярными.

Носители заряда в полевом транзисторе являются основными для активной области и его характеристики не зависят от времени жизни неосновных носителей (как у биполярных транзисторов). Это и определяет высочайшие частотные характеристики и наименьшую зависимость от температуры.

Изготавливают полевые транзисторы из кремния. Зависимо от электропроводности начального материала P-n-переход и его свойства различают транзисторысp - и n - каналом.

Каналом считают центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал поступают главные носители заряда, именуют истоком И, а электрод, через который главные носители уходят из канала, – стоком С. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, именуют затвором З.

Полевые транзисторы разделяются на P-n-переход и его свойства два главных типа: с затвором в виде p-n-перехода и с изолированным затвором.

Структурная схема; схема включения и схемное изображение полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода показаны на рис. 76.

Полевой транзистор представляет собой пластинку, к примеру, n-типа, на верхней и нижней гранях которой создаются области с P-n-переход и его свойства проводимостью обратного типа, к примеру, p-типа. Эти области электрически связаны, образуя единый электрод-затвор. Область с n-проводимостью, расположенная меж p-областями; образует токовый канал. На торцевые поверхности пластинки наносят контакты, образующие два других электрода И иС, к которым подключается источник питания Uс и по мере надобности сопротивление нагрузки P-n-переход и его свойства. Меж каналом и затвором создаются дваp-n-перехода. Ток протекает от истока к стоку по каналу, сечение которого находится в зависимости от затвора.


При увеличении отрицательного потенциала на затворе p-n-

переходы закрываются и расширяются фактически за счет канала, сечение канала, а, как следует, и его проводимость P-n-переход и его свойства, уменьшаются, ток через канал падает, рис. 77, а. При неком Uз = Uзо, именуемом напряжением отсечки, области p-n-переходов смыкаются по всей длине канала, сток и исток оказываются изолированными друг от друга, ток Iс равен нулю.

Если при Uз = constувеличивать Uс, то ток через канал (Iс) вырастет рис. 77, б P-n-переход и его свойства. При всем этом возрастает падение напряжения на канале, которое содействует повышению оборотного напряжения на p-n-переходах, вызывая тем сужение канала. При неком Uс = Uнас, именуемом напряжением насыщения, канал так сужается, что предстоящее повышение Uс не наращивает Iс.


Полевые транзисторы с изолированным затвором либо МДП-транзисторы находят более обширное применение, потому что P-n-переход и его свойства имеют более ординарную конструкцию и владеют наилучшими электронными качествами.

У МДП-транзисторов (металл – диэлектрик – полупроводник) меж полупроводниковым каналом и железным затвором размещен изолирующий слой диэлектрика.

Механизм работы МДП-транзисторов основан на эффекте конфигурации проводимости приповерхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электронного поля. Они управляются напряжением и имеют очень огромное P-n-переход и его свойства входное сопротивление и в отличие от полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода сохраняют его огромным независимо от величины и полярности входного напряжения. Используются две конструкции МДП-транзисторов: со интегрированным каналом и с индуцированным каналом.

УМДП-транзисторов со интегрированным каналом в полупроводниковой пластинке (подложке), к P-n-переход и его свойства примеру, n-типа, в процессе производства в приповерхностном слое создаются области, к примеру p-типа, образующие электроды стока и истока (рис. 78, а). Перемычка меж С и И с проводимостью p-типа является каналом для протекания тока стока Iс даже при отсутствии управляющего напряжения Uз = 0 на затворе.


При подаче положительного напряжения на P-n-переход и его свойства затвор электронное поле выталкивает главные носители (дырки) из канала, его сопротивление вырастает, а Iс падает.

Таковой режим носит заглавие “режима обеднения”. При отрицательном напряжении на затворе электронное поле притягивает дырки из подложки, они накапливаются в области канала, сопротивление канала миниатюризируется, Iс вырастает (“режим обогащения”). Передаточная черта P-n-переход и его свойства МДП-транзистора показана на рис. 78, б. Его стоковые свойства Iс = f(Uс) при Uз = const по виду подобны чертам транзистора с затвором p-n-типа (рис. 77, б). Схемные изображения МДП-транзисторов со интегрированным каналом n-типа и p-типов представлены на рис. 78, в.

УМДП-транзисторов с индуцированным каналом последний заблаговременно P-n-переход и его свойства не создается, и в транзисторах, использующих пластинку с проводимостью, к примеру, n-типа, при Uз > 0 и Uз = 0 ток Iс = 0 (рис. 79, а, б).


Образование канала в таких устройствах происходит при подаче на затвор только отрицательного напряжения (Uз < 0). Тогда в итоге вытеснения из поверхностного слоя электронов и подтягивания дырок из n-пластины P-n-переход и его свойства происходит образование меж стоком и истоком инверсного слоя полупроводника с проводимостью, аналогичной проводимости С и И, в этом случае p-типа, и, чем более отрицательным будет напряжение на затворе, тем больший Iсбудет в канале. Передаточная черта такового транзистора показана на рис. 79, б. Стоковые свойства МДП-транзистора с индуцированным P-n-переход и его свойства каналом подобны чертам транзистора с затвором в виде p-n-перехода (рис. 77, б). Схемные изображения МДП-транзисторов с индуцированным каналом n- и p-типов представлены на рис. 79, в.

Главные свойства полевых транзисторов:

крутизна свойства передачи

S = dIс / dUз при Uс = const;

дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения

Rвых = dUс / dIс P-n-переход и его свойства при Uз = const.

Полевые транзисторы употребляются в усилителях, также находят применение в качестве сенсорных датчиков, в устройствах для обнаружения сокрытой проводки.

источники вторичного электропитания

Электростанции вырабатывают электронную энергию переменного тока частотой 50 Гц. Это разъясняется необходимостью передачи энергии на огромные расстояния по высоковольтным линиям с внедрением трансформаторов напряжения. На практике же появляется необходимость P-n-переход и его свойства внедрения неизменного тока: сначала это относится к устройствам электроники, питание которых осуществляется напряжением неизменного тока.

Для преобразования переменного тока в неизменный служат электрические выпрямители, относящиеся к источникам вторичного электропитания. В состав электрического выпрямителя входят: трансформатор, модифицирующий напряжение сети до нужного значения; диоды, осуществляющие выпрямление тока; сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации P-n-переход и его свойства выпрямленного напряжения; стабилизатор, поддерживающий постоянным напряжение на нагрузке. Зависимо от предназначения выпрямителя и предъявляемых к нему требований некие из перечисленных узлов могут отсутствовать.

В электронике наибольшее распространение получили однополупериодный и двухполупериодный выпрямители.

Однополупериодный выпрямитель

Работа однополупериодного выпрямителя, рис. 80 рассматривается в предположении, что диодик – безупречный, т.е. сопротивление диодика P-n-переход и его свойства в прямом направлении равно нулю, а в оборотном – нескончаемо велико. u1 и u2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора; Rн – сопротивление нагрузки.

На временных диаграммах токов и напряжений, рис. 80: t – время; I0 и U0 – средние значения (неизменные составляющие) выпрямленного тока и напряжения.

В течение первого полупериода напряжения u2, когда P-n-переход и его свойства положительный потенциал приложен к аноду диодика, он открыт и через нагрузочное сопротивление Rн пойдет ток iн = iд; при всем этом все напряжение окажется приложенным к Rн (uн = u2). Во 2-ой полупериод полярность напряжения u2 на вторичной обмотке трансформатора поменяется на обратную и диодик окажется включенным в оборотном P-n-переход и его свойства направлении, ток закончится и все напряжение u2 окажется приложенным к закрытому диодику.

Наибольшее значение оборотного напряжения где U2 – действующее значение напряжения.

Из временных диаграмм видно, что ток iн и напряжение uн имеют пульсирующий нрав и существенно отличаются от неизменных. Для однополупериодного выпрямителя справедливы последующие соотношения:

Для свойства степени пульсации P-n-переход и его свойства выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации

где Um гарм – амплитуда большей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока; U0 – неизменная составляющая выпрямленного напряжения; для однополупериодного выпрямителя Кпульс = 1,57.

I0
Главным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недочетами – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного P-n-переход и его свойства тока и напряжения. Потому существенно большее распространение получили двухполупе­риод­ные выпрямители, в каких выпрямленное напряжение создается в оба полупериода напряжения сети.

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодные выпрямители бывают 2-ух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Большее распространение получил мостовой выпрямитель, рис. 81. В один из полупериодов напряжения сети (u P-n-переход и его свойства1), когда верхний зажим вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к нижнему зажиму, диоды 1 и 3 открыты, а диоды 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через диодик 1 (ток i1), нагрузочный резистор Rн, диодик 3 (ток i3) к нижнему зажиму обмотки трансформатора.


другой полупериод P-n-переход и его свойства, когда верхний зажим имеет

В отрицательный полупериод напряжения u2 диоды 1 и 3 закрыты, а диоды 2 и 4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через диодик 2 (ток i2), нагрузочный резистор Rн, диодик 4 (ток i4) к верхнему зажиму обмотки трансформатора. При всем этом в течение всего периода ток iн через резистор Rн и P-n-переход и его свойства напряжение на нем имеют одно и то же направление.

Для рассматриваемого двухполупериодного выпрямителя справедливы последующие соотношения:

где Um гарм – амплитуда большей гармоники, которая для двухполупериодного выпрямителя имеет частоту в два раза бóльшую, чем частота питающей сети.

По сопоставлению с однополупериодным, мостовой выпрямитель более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения P-n-переход и его свойства у него в 2 раза больше, а пульсации существенно меньше.

Коэффициент пульсаций напряжения Кпульс, питающего электрическую аппаратуру, должен составлять толики процента. Двухполупериодный выпрямитель делает пульсирующее напряжение с Кпульс = 0,67. Потому для уменьшения пульсаций до требуемого уровня используют устройства, именуемые сглаживающими фильтрами. Различают емкостные, индуктивные, комбинированные (Г-образные, П-образные) фильтры P-n-переход и его свойства.

Сглаживающие фильтры

Емкостной фильтр

На схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 82,а) емкостной фильтр выполнен в виде конденсатора Сф включенного параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор Сф заряжается через диодик до амплитудного значения напряжения u2 в моменты времени, когда напряжение u2 на вторичной обмотке трансформатора превосходит напряжение на конденсаторе. Когда напряжение uс > u2, диодик закрыт и P-n-переход и его свойства конденсатор разряжается через нагрузочное сопротивление Rн с неизменной времени tразр = RнСф.


Как указывает временнáя диаграмма на рис. 82, б, при разряде Сф напряжение uн не миниатюризируется до нуля во вторую половину периода, а пульсирует в неких границах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения по сопоставлению с однополупериодным выпрямителем без P-n-переход и его свойства фильтра. Аналогично работает емкостный фильтр в двухполупериодном выпрямителе, с той только различием, что коэффициент пульсаций выходит наименьшим.

Емкость конденсатора Сф выбирают таковой, чтоб производилось соотношение tразр = RнСф > 5 Т. Тут Т = 1 / fосн – период основной, большей гармоники пульсирующего напряжения.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром может быть снижен до 10-2. Емкостный P-n-переход и его свойства фильтр целенаправлено использовать с высокоомным нагрузочным резистором, т.е. при малых токах нагрузки. При всем этом мощность Рн не должна быть больше нескольких 10-ов ватт.

Индуктивный фильтр

Действие индуктивного фильтра Lф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности неизменному току не много, а сопротивление переменному току XL = wL может быть изготовлено огромным. Потому P-n-переход и его свойства при включении Lф поочередно с активным сопротивлением нагрузки Rн (рис. 83) падение напряжения на Rн от переменной составляющей тока понижается, т.е. пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

Г-образный и П-образный фильтры

Для более значимого уменьшения пульсаций используют комбинированные Г-образные либо П-образные фильтры (рис. 84).

В маломощных выпрямителях с P-n-переход и его свойства целью уменьшения массы, габаритов и цены фильтра катушку Lф нередко подменяют резистором Rф.

Для свойства эффективности деяния сглаживающего фильтра вводится коэффициент сглаживания

где q1 и q2 - коэффициент пульсации на нагрузке при отсутствии и наличии фильтра, соответственно.


Если Г-образный либо П-образный сглаживающие фильтры из отдельных звеньев не позволяют уменьшить пульсации до P-n-переход и его свойства нужного уровня, то используют соединенные поочередно многозвенные фильтры. Общий коэффициент сглаживания такового фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров, из которых он состоит. В текущее время употребляются электрические фильтры, в каких заместо индуктивностей включают транзисторы.

Наружные свойства выпрямителя


oznakomlenie-s-principami-sostavleniya-sochetanij-razmerov-i-rostov-izdelij-v-raskladkah-lekal.html
oznakomlenie-s-programmno-normativnimi-dokumentami-i-dokumentami-ucheta-uchebno-vospitatelnogo-processa-kafedri.html
oznakomlenie-s-rabotoj-shkolnogo-psihologa-2-nedeli-praktiki.html