Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Kurs_lektsy_elektrotekhnika.doc
Скачиваний:
57
Добавлен:
18.02.2016
Размер:
5.26 Mб
Скачать

Основы промышленной электроники Слайд 2

1.Полупроводниковые приборы

    1. Электрический ток в полупроводниках

В полупроводниках электрический ток объясняется двумя причинами.

Во-первых, как и у металлов, в полупроводниках имеются свободные электроны, т.е. полупроводники обладают электронной проводимостью, или электропроводностью n-типа (негатив – отрицательный).

Во-вторых, полупроводники обладают «дырочной» электропроводностью. Кристаллическая решетка полупроводниковых материалов образуется атомами, имеющими общие (валентные) электроны.

При некоторых условиях один из электронов покидает свое место и становится свободным электроном. Освободившееся место называют «дыркой». «Дырка» может перемещаться от одного атома к другому, как и свободные электроны.

Подвижность носителей заряда определяет электропроводность материала, для электронов – это электропроводность n-типа, для «дырок» - электропроводность р-типа (позитив – положительный).

Для усиления n- или р- электропроводности полупроводникилегируют, т.е. добавляют небольшое количество примеси.

Примеси, которые создают электронную n-проводимостьназываютдонорными( 5-ти валентная сурьма). Для созданиядырочной р-проводимостив полупроводник добавляютакцепторнуюпримесь (3-х валентный индий).

Таким образом, в одном полупроводнике удается создать две области с различным типом электропроводности (р- и n-типа). Между ними существует пограничная область, которую называютр-n-переходом.

Слайд 3

Рассмотрим принцип работы р-n-перехода:

1.p-n переход без подключения внешнего напряжения. В результате перераспределения зарядов на границе возникает двойной электрический слой (Диффузионный ток– электроны изn-области проникают в р-область, а дырки из р-области переходят вn-область).

Разноименные заряды создают потенциальный барьер. Однако, в противоположность диффузионному току, создается небольшой дрейфовый ток. Ф установившемся режиме:

IΣ =Iдиф +Iдрейф = 0

2. Приложим к р-n-переходу внешнее напряжение (кn-области (+) кp-области (-))

Такое подключение называется обратным,ширина двойного слоя увеличивается, потенциальный барьер возрастает.

Кроме того, увеличившийся двойной электрический слой обладает большим электрическим сопротивлением.

3. Приложим к р-n-переходу внешнее напряжение (кn-области (-) кp-области (+)). Получимпрямое подключениеисточника. Потенциальный барьер уменьшается, сопротивление р-n-перехода уменьшается и прямой ток во много раз превышает ток обратного направления.

Слайд 4

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним n-p-переходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе германия или кремния. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.

Слайд 5

Стабилитрон представляет собой кремниевый полупроводниковый диод, который нормально работает при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины. Стабилитроны применяют для стабилизации постоянного напряжения. ВАХ стабилитрона и его условное графическое обозначение приведены на рис.1.3.

Слайд 6

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя или более n-p-переходами и двумя (динистор) или тремя (тринистор) выводами. Он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: низкой проводимости (закрыт) или высокой проводимости (открыт). Структура, условное графическое и буквенное обозначения тиристора, его вольтамперная характеристика даны на рисунке а, б, в.

Основу прибора составляет кристалл кремния, в котором созданы четыре слоя с разными типами электропроводности. Внешний p-слой называют анодом (А), внешний n-слой - катодом (К), а два внутренних слоя - базами. Одна из баз имеет вывод - управляющий электрод (У).

Тиристор — это управляемый динистор, или своего рода ключ, который управляет мощной силовой частью при подаче слабых управляющих импульсов. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор: либо воздействие напряжением (током), либо светом (фототиристор). Тиристор имеет нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ).

Напряжение включенияUвкл.max можно уменьшить введением добавочных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П2. Добавочные носители заряда на рис.1.4а вводятся в слой p от вспомогательной управляющей цепи с независимым источником Еy. При увеличении тока управления Iy характеристика (рис.1.4в) смещается влево (к естественной прямой ветви ВАХ диода). Тиристор остается во включенном состоянии, пока протекающий через него ток больше критического, называемого током удержания Iуд. Как только Iпр станет меньше Iуд, тиристор закрывается.

Слайд 7

Устройство транзистора

Транзи́стор — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Основа транзистора – пластинка с р-проводимостью (база). С двух сторон вплавлены донорные пластинки, образующие n-области.

Вывод с меньшей пластинкой называют эмиттером (эмиссио – выпуклость), вывод с большей пластинкой –коллектором(собирать).

Принцип работы транзистора

Подключим выводы транзистора к источникам напряжения. U1– прямое напряжение на эмиттерном р-n-переходе,U2 – обратное напряжение на коллекторном р-n-переходе.

U2 >>U1

Прямое напряжение U1 уменьшает потенциальный барьер в эмиттерном переходе, сопротивлениеn-области снижается. Электроны изn-области свободно попадают в р-область базы. Толщина базы транзистора мала, в результате большому числу электронов под действиемU2 удается достигнуть коллектора и возникает коллекторный токIк.

Таким образом, эмиттер выпускает электроны, а коллектор их собирает.

Слайд 8

Полевые транзисторы

В полевых транзисторах с управляющим переходом для изменения проводимости канала используется эффект изменения ширины области пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного перехода при изменении приложенного к нему напряжения затвора.

Полевые транзисторы (ПТ) - это полупроводниковые приборы с каналом, ток в котором управляется электрическим полем. Принцип действия их основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок), поэтому их иначе называют униполярными.

Главным достоинством ПТ является высокое входное сопротивление, т.е. они практически не потребляют ток из входной цепи. Кроме того, они более технологичны и дешевле, чем биполярные, обладают хорошей воспроизводимостью требуемых параметров.

По способу создания канала различают ПТ с управляющим n-p-переходом, со встроенным каналом и с индуцированным каналом. Последние два типа относятся к разновидностям МДП-транзисторов с изолированным затвором (металл-диэлектрик-проводник).

Рассмотрим ПТ с управляющим n-p-переходом (рис.2.3,а) канал - это слой полупроводника n-типа (может быть p-типа), заключенный между двумя n-p-переходами. Канал имеет два вывода во внешнюю цепь: исток (И), из которого заряды выходят в канал, сток (С), в который заряды входят из канала. Слои p-типа соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором (З). Затвор служит для регулирования поперечного сечения канала. Особенность ПТ в том, что движение основных носителей заряда только одного знака происходит по каналу от истока к стоку, а не через переход, как в биполярном транзисторе.

Управляющее напряжение между З и И является обратным для обоих n-p-переходов (Uзи<0). Оно вызывает вдоль канала равномерный слой, обедненный носителями заряда при Uси=0. Изменяя Uзи, изменяют ширину n-p-переходов, тем самым регулируют сечение токопроводящего канала и его проводимость. Напряжение Uси>0 вызывает неравномерность обедненного зарядами слоя, наименьшее сечение канала вблизи стока.

Слайд 9

  1. Выпрямители

Различают неуправляемые и управляемые выпрямители. Для построения неуправляемых выпрямителей применяют полупроводниковые диоды, а для построения управляемых - тиристоры. Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 13.1а.

В состав схемы входят: источник синусоидального напряжения, выпрямительный диод, и нагрузка. Будем полагать, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном - бесконечности. При таких допущениях через нагрузку протекает несинусоидальный периодический ток, в виде полуволн синусоиды

Ток создает на сопротивлении падение напряжения в виде периодических пульсаций. С учетом принятых допущений амплитудное значение пульсаций равно амплитудному значению входного напряжения (рис. в). Во время отрицательного полупериода входного напряжения все напряжение источника падает на бесконечно большом сопротивлении диода. Такое падение напряжения называют обратным напряжением диода, а выпрямитель - однополупериодным.

Слайд 10

Значительно лучшими параметрами обладает схема двухполупериодного выпрямителя, разработанная в 1901 г. академиком Миткевичем (рис.13.2а). В состав схемы входят: источник синусоидального напряжения, трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки, два диода и сопротивление нагрузки - RH. Сопротивление нагрузки включено между катодами диодов и средней точкой вторичной обмотки.

На интервале времени от 0 до Т/2 (рис.13.2б) к диоду Д1 приложено прямое напряжение, а к диоду Д2 - обратное. В цепи вторичной обмотки потечет ток i1от точки 1, через диод Д1

На интервале от Т/2 до Т (отрицательный полупериод) полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную. Теперь к диоду Д2 приложено прямое напряжение, а к диоду Д1 - обратное. В цепи вторичной обмотки потечет ток i2от точки 1', через диод Д2, сопротивлениеRHк средней точке вторичной обмотки. Направление тока черезRH осталось таким же и во время положительного полупериода.

Рассмотрим работу мостовой схемы для выпрямления синусоидального тока.

Во время положительного полупериода входного напряжения полярность контактов 1 - 1'такая, как показано на рис. 13.3. В этом случае к диодам Д1 и Д4 приложено прямое напряжение, а к диодам Д2 и Д3 - обратное. В цепи выпрямителя потечет токi1от контакта 1, через диод Д1, сопротивление нагрузкиRH, диод Д4, к контакту 1'

Во время отрицательного полупериода входного напряжения полярность контакта 1 - 1'меняется на противоположную. Теперь напряжение приложено к диодам Д2 и Д3, а обратное - к диодам Д1 и Д4. В цепи выпрямителя потечет токi2от контакта 1', через диод Д3, сопротивление нагрузкиRH, диод Д2, к контакту 1. Видим, что направление тока через сопротивлениеRHне изменилось.

Слайд 11

Анализ работы рассмотренных схем выпрямителей показал, что напряжение на их выходе не постоянное, а пульсирующее. Применять такое напряжение непосредственно для питания электронных устройств нельзя. Существенно снизить уровень пульсаций позволяют сглаживающие фильтры. В основу их построения положено применение реактивных элементов - индуктивностей и емкостей.

Так как сопротивление емкости переменному току значительно меньше сопротивления нагрузки , то прямой ток диода на интервале пульсации протекает через конденсатор Сф, заряжая его до напряжения, близкого кUm. При уменьшении напряжения пульсации диод закрывается. Его сопротивление становится значительно большеRH. Поэтому емкость Сфначинает разряжаться черезRH, а напряжение на ее обкладках уменьшается по экспоненциальному закону

Слайд 12

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n. Рассмотрим назначение элементов данной схемы:

Усилитель на транзисторе. Схема с общим эмиттером

Назначение элементов схемы:

R1иR2– делитель напряжения,

Ср1– отсекает от входа постоянное напряжение

Ср2 - выделяет переменную составляющую тока коллектора

Сэ - устраняет отрицательную обратную связь (ООС) по переменному току (резисторRэ, который эту связь создает).

В зависимости от способа включения транзистора различают усилители с ОЭ, ОБ, ОК. Способ включения определяется общим выводом транзистора для входа и выхода усилителя.

Слайд 13

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]