Elektronika_i_skhemotekhnika

Очевидно, для уменьшения потерь желательно, чтобы напряжение Uотп>0 было возможно меньше. Следовательно, это должен быть параметрический ключ, управляемый напряжением, приложенным к нему.

Конечно, реальные элементы могут только приближаться к такой модели управляемого элемента, но реально они могут быть достаточно близки к кусочно-линейной модели. На рис.4.3 приведены две желаемые характеристики управляемого элемента одна (1) идеальная, а другая (2) с учѐтом конечных значений проводимости ключа и Uотп>0.

В обеих характеристиках ток через ключ ограничивается внешними резисторами. Поэтому, как более реальную, будем в дальнейшем рассматривать характеристику 2. В динамическом режиме при протекании большого тока через ключ его динамическая проводимость будет равна

Equation Chapter 4 Section 1Equation Chapter 4 Section 1

gдн=ΔI/ΔU,

а при малом токе, т.е. на обратной ветви характеристики 2, при U Uотп проводимость ключа, назовѐм еѐ обратной gобр, определяется аналогично c помощью приращений переменных.

Математическая модель рассмотренной кусочно-линейной характеристики ключа имеет вид

iд uд Uотп		uд Uотп		gдн 2	(4.1)

Токи и напряжения при большой g дн и малой g обр проводимостях ключа должны различаться более, чем в 103 раз (мА и мкА, мВ и В) в результате эти проводимости будут различаться больше, чем в 106 раз, а поэтому ключ будет достаточно хорошим по качеству. Если напряжение на нагрузке должно быть равно нескольким вольтам, то падением напряжения на gдн чаще всего можно будет пренебречь.

Второй вариант управления проводимостью g у состоит в отпирании пути

для тока iн в зависимости от полярностиuu2 и уровня напряжения на нагрузке. Однако нелинейность проводимости сохраняется, так как она всѐ равно должна иметь большую проводимость при отпирании пути для тока iн и нулевую проводимость при отрицательной полуволне u2. Но устройство управляемой проводимости будет более сложным из-за необходимости введения

управляющего электрода, напряжение на который поступает с нагрузки. Поэтому этот вариант управления проводимостью применяется более редко, в мощных источниках питания. Такой ключ уже не является, параметрическим, так как он управляется внешним напряжением, а, значит, должен содержать три вывода. Недостатком рассмотренного преобразователя является использование только одной полуволны напряжения u2, что приведѐт к пульсирующему току iн через нагрузку: в отрицательный полупериод ток iн=0. Только в исключительных случаях при очень больших мощностях электронные устройства могут работать при таком напряжении питания.

Разработаем способы построения выпрямителей лишѐнные этого недостатка. Преобразователь должен работать так, чтобы неравенство для тока ií 0 выполнялось в оба полупериода, но направление тока не менялось.

Ограничимся рассмотрением двух способов уменьшения указанного недостатка. Начнѐм с простейшего, основанного на использовании инерционных свойств элементов. В самом деле, если при открытом ключе ток через выпрямитель будет протекать не только через нагрузку, но одновременно будет, например, заряжать конденсатор, включенный параллельно нагрузке, то при не очень большом токе нагрузки, он может разряжаться через неѐ, когда ключевой элемент будет заперт.

Чтобы уменьшить пульсации, последовательно с выпрямителем ставят фильтр.

Параллельно выходу последнего подключают конденсаторы большой ѐмкости для ещѐ большего уменьшения пульсаций и поддержания выходного напряжения стабилизатора неизменным при импульсной нагрузке, так как остальные элементы стабилизатора обладают инерционностью и не успевают среагировать на импульсные изменения тока малой длительности.

С этой целью необходимо подключить к трансформатору ещѐ одну такую же управляемую проводимость, которая будет пропускать через себя ток в нагрузку в другой, в рассматриваемом случае, отрицательный полупериод. Очевидно, что теперь последовательным принципом построения не удастся воспользоваться.

Поэтому применим параллельный принцип, в котором будут работать две ветви. Второй управляемый элемент невозможно включить параллельно первому, потому что тогда при любой полярности полуволны, всегда будет открыт путь для протекания тока iн. На рис.4.2,а у выводов вторичной обмотки трансформатора указана полярность напряжения в два полупериода. В первый

полупериод (полярность напряжения без скобок) ток в нагрузку пропускает первый ключ, а во второй полупериод его ток равен нулю, но на втором выводе обмотки трансформатора возникает положительное напряжение. Это напряжение через второй ключ может быть также подведено к нагрузке, т.е. будет использован параллельно-последовательный принцип построения. Однако возникает проблема организации пути для протекания тока iн.

Здесь, как и ранее, задачу можно решить как минимум двумя способами; или за счѐт усложнения трансформатора, или за счѐт увеличения управляемых элементов. Выбор варианта осуществляют исходя из конкретных условий, накладываемых технологией и стоимостью элементов. Если используются навесные элементы при построении выпрямителя (при высоких напряжениях и больших мощностях подводимых к нагрузке), то могут быть использованы как первый, так и второй варианты в зависимости от стоимости, надѐжности, массы, и габаритов элементов. Поэтому ниже изложены оба способа.

Рассмотрим параллельно-последовательный принцип построения (рис. 4.3,а), связанный с усложнением трансформатора. Из рисунка видно, что вторичная обмотка трансформатора состоит из двух секций, имеющих общий вывод, к которому и подсоединѐн второй вывод нагрузки. Чтобы обе

полуволны напряжений u'2 , u"2 создавали на нагрузке одинаковые амплитуды напряжения, необходимо иметь идентичные по числу витков и расположению на сердечнике трансформатора две обмотки, а также две управляемые проводимости, каждая из которых поочерѐдно должна пропускать ток только в один полупериод сетевого напряжения,

Фактически управляемые проводимости будут работать как неплохие коммутаторы, подключающие на полпериода к нагрузке то одну обмотку, то другую. Следовательно, в каждый полупериод работает структура, каждая из которых может быть построена путем последовательного соединения.

4.5.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ P-N ПЕРЕХОД И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковые диоды относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных информационных систем, а также в устройствах управления, измерения и радиотехники.

Слово ―диод‖ образовано от греческих слов ―ди‖-два и сокращенного ―(электр)од‖. Упрощенная структура и условное графическое обозначение диода, приведены на рис. 3.1. Основой всех типов диодов, изготавливаемых

промышленностью, является p-n переход, поэтому рассмотрим физические принципы его работы.

Полупроводниковым переходом называют тонкий слой между n и p полупроводниками. N область перехода, легированная донорной примесью, имеет электронную проводимость. P область, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость. Концентрация электронов в

одной части и концентрация дырок в другой различаются более, чем на три порядка. В настоящее время в качестве базы полупроводниковых приборов наиболее широко используется весьма чистый кремний, по свойствам приближающийся к изолятору.

а)		n-p переход			б)
				+				-
		n	p

Металлургический
контакт	Uд

Рис. 4.1

Для образования направленного тока через переход к базе Добавление

донорной примеси более в 103 большей, чем акцепторной примеси в области этому Кроме того, в обеих областях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Для p-n-переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает. Плоская структура p-n-перехода показана на рис. 3.1, а.

Электроны в n области диффундируют в p область и там рекомбинируют с дырками до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. Аналогично, дырки из p области перемещаются в n область. В результате встречного движения противоположных ионов возникает так называемый диффузионный ток. Оно достигается вследствие образования у металлургического контакта некомпенсированного отрицательного заряда акцепторных атомов (дырки, компенсировавшие этот заряд, рекомбинировали). Точно такой же, но положительный заряд возникает в слое n из-за ушедших электронов. Область объемных зарядов, имеющую весьма малую

концентрацию носителей заряда, называют обедненным слоем. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 3.2.

Внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Есобств, направление которого показано на рис. 3.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда (металлургический контакт). На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Поле на границе p-n перехода определяется тепловым потенциалом:

UT kTq ,

где k=1,38*10-24 Дж/К – постоянная Больцмана; q=1,6*10-19 Кл – заряд электрона; Т – термодинамическая температура. При комнатной температуре

UT =25,5 мВ.

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n переходе поле, совпадающее по направлению с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. При обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов (для кремниевых структур это примерно 0,4 В), то потенциальный барьер исчезает полностью и при образовании замкнутой внешней цепи через переход пойдѐт ток.

+-

N-	+	-	P-
область	+	-	область

+-

Есобст

+

-

Рис. 3.2

Вольтамперная характеристика р-n-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем приложенного напряжения. Если оно снижает потенциальный барьер, то его называют прямым, а если повышает — обратным. Приложение прямого напряжения к p- n-переходу показано на рис. 3.1, б.

При прямом смещении p-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которого они являются неосновными носителями. При этом концентрация неосновных носителей может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Обратный ток через p-n-переход вызывается неосновными носителями одной изобластей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника.

Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Итак, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается Iобр=Is

При протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную область будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области будет осуществляться инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

I	диф	I	eU /UT ,	(3.1)
		s

где U— напряжение на p-n-переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (3.1) и тока проводимости:

I	пр	I	диф	I	s	I	s	(eU /UT	1) .	(3.2)

Уравнение (3.2) называется уравнением Молла —Эберса, а соответствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 3.3. Так как при T=300 К тепловой потенциал равен UT=25мВ, то уже

при напряжении U=0,1 В можно считать, что ток

.

I = Iдиф = IseU / UT

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов (0,4-0,7 для Si). Допустимые (предельные) температуры для Si – до 120 °С. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения не основных носителей и называется лавинным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток через переход сильно возрастает при неизменном напряжении на нем, как показано на рис. 3.3.

		Iпр		мА
		Iдоп
В					U*	мВ
I				0 U	отп	Uпр
s		Uобр
		Iобр		пА

Рис. 3.3,а

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В

обр.max,

зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на низкочастотные, импульсные и высокочастотные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и т.д. (см. ниже).

Выпрямительные диоды большой мощности называют "силовыми‖. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Основные параметры диодов: обратное напряжение Uобр, напряжение

отпирания диодов Uотп, прямой допустимый ток Iпр, импульсный допустимый

прямой ток Iпр имп, (см. рис. 3.3, б). Для разных типов выпрямительных диодов

максимальное, не приводящее к пробою, обратное напряжение Uобр max лежит в пределах от десятков до нескольких тысяч вольт, средний прямой ток Iпр.ср – в пределах от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер, а обратный ток Iобр – от десятков наноампер до сотен миллиампер. Время восстановления

обратного сопротивления диодаtвос является основным параметром

выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр.

Диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме, дополнительно характеризуется максимально допустимым прямым током Iпр.имп при заданной длительности импульса (обычно несколько десятков микросекунд). Как правило, этот ток на порядок превосходит средний прямой ток.

Когда обратное напряжение превышает максимальное значение U определяемое для каждого типа диода, возникает пробой p-n-перехода: сначала туннельный и лавинный, а потом тепловой. Первые два типа пробоя являются обратимыми, т.е. после снятия напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются, а третий тип (необратимый) приводит к порче диода и поэтому недопустим.

	Iпр	мА
В			U*	мВ
I		0 U	отп	Uпр
обр	Uобр
	Iобр	мкА

Рис. 3.3, б

4.6. Силовые выпрямители Вентильные преобразователи переменного тока в постоянный называют

выпрямителями. Они играют большую роль в технике, так как производство и распределение электрической энергии экономичней организовать на переменном токе, а многие виды устройств (компьютеры, контроллеры, осциллографы, мониторы, аудио-видео техника и т.д.) требуют для своей работы постоянный ток. Именно по этому их часто называют источниками питания.

Выпрямители применяют не только в силовых установках, но и в измерительных и управляющих цепях информационных, вычислительных и управленческих систем.

Напряжение сети переменного тока рассчитано на наиболее экономичную передачу энергии на значительные расстояния и многим потребителям, а последним необходимы весьма разнообразные напряжения питания. Поэтому составной частью выпрямителей являются трансформаторы (понижающие или повышающие), которые с высоким КПД преобразуют напряжение сети в напряжение на входе диодной схемы, которая и преобразует переменное напряжение в требуемое постоянное.

Простейшая схема преобразователя переменного напряжения (рис. 3.4, б) в постоянное (рис. 3.4, в) изображена на рис. 3.4, а. Само преобразование состоит в отсечке пути тока через нагрузку в отрицательный (положительный) полу период вторичного напряжения трансформатора u2 с помощью элементов с односторонней проводимостью — выпрямительных диодов.

а)	-	Uн
u1	Rн
	u2
	+
б)	u2
		t
в)	Uн
		t	Рис. 3.4

Средний ток через диод равен току нагрузки: Iд.ср.=Iн. Средний допустимый ток должен быть больше тока нагрузки Iср. доп.>Iн. Допустимое напряжение на диоде должно быть при наличии конденсатора фильтра больше в два раза, чем напряжение нагрузки Uд доп>2Uн.

Уменьшения пульсаций достигают применением или трехфазного выпрямителя, или включением после диодной схемы элементов, ток (напряжение) в которых не может исчезнуть мгновенно. Эти элементы входят в фильтр, сглаживающий пульсации. Фильтр изменяет режим работы вентилей, входящих в диодную схему. Характер этих изменений зависит от того, каким является первый элемент фильтра, индуктивным или емкостным.

Наиболее употребительные схемы однофазных выпрямителей для источников питания электронных схем изображены на рис. 3.5. В схеме на рис. 3.5, а. в тот момент, когда полярность напряжений на трансформаторе такая, как показано без скобок, при напряжении u21, большем напряжения на конденсаторе (рис. 3.5, б), диод Д1 откроется, а диод Д2 будет закрыт, поскольку u22< 0 и к нему прикладывается обратное напряжение, равное u22+Uн. Конденсатор начнет заряжаться (рис. 3.5, в), и напряжение на нем и на нагрузке увеличится. Оно будет несколько меньше u21 из-за падения напряжения в цепи заряда конденсатора на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора, сопротивлении соединительных проводов и диоде. Таким образом, ток, заряжающий конденсатор, идет только во время части полупериода, т, е. является импульсным (рис. 3.5, а).

Диод Д1 закроется после того, как напряжение u21 станет меньше Uн. В это время закрытыми диодами нагрузка отделяется от трансформатора, и конденсатор начинает разряжаться, но благодаря большой емкости достигается малое уменьшение напряжения на конденсаторе и на нагрузке (рис. 3.5, в).