16. Полупроводниковые диоды. Вольтамперная характеристика

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость тока, проходящего через диод, от величины и полярности приложенного к нему постоянного напряжения (рис. а). «Прямая» ветвь, изображаемая в правом верхнем квадранте‚ соответствует пропускному направлению тока, а «обратная» ветвь (в левом нижнем квадранте) – запорному. Чем круче и ближе к вертикальной оси поднимается прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси и на большем ее протяжении прилегает к ней обратная ветвь, тем лучше диод. Требованиям‚ предъявляемым к прямой ветви, лучше всего удовлетворяют германиевые плоскостные диоды, а обратная ветвь лучше у кремниевых диодов.

При достаточно большом обратном напряжении у любого диода наблюдается резкое увеличение обратного тока, обычно называемое пробоем.

Рис. Типичный вид вольт амперной характеристики полупроводниковых диодов (а) и обратной ветви стабилитрона (б).

Нормальная работа диодов в качестве элементов с односторонней проводимостью обычно возможна лишь в таких режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного (Uпроб. на рис. а). В то же время нормальная работа стабилитронов (кремниевых стабилизаторов напряжения) основана именно на заходе в область электрического пробоя, который не опасен для диода до тех пор, пока внешнее сопротивление ограничивает ток, проходящий через диод, и предотвращает перегрев диода. Для стабилитронов особенно важно, чтобы обратный ток при увеличении обратного напряжения вплоть до Uпроб. оставался минимальным, а при достижении пробивного напряжения сразу же резко нарастал (рис. б).

При повышении температуры как прямой, так и обратный токи увеличиваются, а при понижении температуры уменьшаются (рис. а). Пробивное напряжение в зависимости от типа диода может по-разному зависеть от температуры, но чаще всего оно понижается с повышением температуры.

Вместо графического представления вольт-амперных характеристик обычно указывают отдельные точки этих характеристик:

прямой ток при оговоренной величине напряжения (обычно 1В) или прямое падение напряжения при оговоренной величине тока;

обратный ток при определенном обратном напряжении (обычно близком к пробивному) или обратное напряжение при определенной величине обратного тока.

17. Векторные диаграммы. Цепь, содержащая активное сопротивление

Векторная диаграмма — графическое изображение меняющихся по закону синуса (косинуса) величин и соотношений между ними при помощи направленных отрезков — векторов. Векторные диаграммы широко применяются в электротехнике, акустике, оптике, теории колебаний итд.

Гармоническое (то есть синусоидальное) колебание может быть представлено графически в виде проекции на некоторую ось (обычно берут ось координат Оx) вектора, вращающегося с постоянной угловой скоростью ω. Длина вектора соответствует амплитуде, угол поворота относительно оси (Ox) - фазе.

Сумма (или разность) двух и более колебаний на векторной диаграмме представлена при этом (геометрической) суммой[1] (или разностью) векторов этих колебаний. Мгновенное значение искомой величины определяется при этом проекцией вектора суммы на ось Оx, амплитуда - длиной этого вектора, а фаза - углом его поворота относительно Ox.

Векторные диаграммы и комплексное представление

Векторные диаграммы можно считать вариантом (и иллюстрацией) представления колебаний в виде комплексных чисел. При таком сопоставлении ось Ox соответствует оси действительных чисел, а ось Oy - оси чисто мнимых чисел (положительный единичный вектор вдоль которой есть мнимая единица).

Тогда вектор длиной A, вращающийся в комплексной плоскости с постоянной угловой скоростью ω с начальным углом φ0 запишется как комплексное число

(7)

а его действительная часть

(7.1)

-есть гармоническое колебание с циклической частотой ω и начальной фазой φ0.

Хотя, как видно уже из вышесказанного, векторные диаграммы и комплексное представление колебаний теснейшим образом связаны и по сути представляют собой варианты или разные стороны одного и того же метода, они, тем не менее, обладают своими особенностями и могут применяться и по отдельности.

Метод векторных диаграмм может излагаться отдельно в курсах электротехники или элементарной физики, если по тем или иным причинам (обычно связанным с умеренным уровнем математической подготовки учащихся и недостатком времени) надо избежать использования комплексных чисел (в явном виде) вообще.

Метод комплексного представления (который при необходимости или желании может включать и графическое представление, что, правда, совершенно не обязательно и иногда излишне) вообще говоря более мощен, т.к. естественно включает в себя, например, составление и решение систем уравнений любой сложности, в то время как метод векторных диаграмм в чистом виде всё же ограничен задачами, подразумевающим суммирование, которое можно изобразить на одном чертеже.

Однако метод векторных диаграмм (в чистом виде или в качестве графической составляющей метода комплексного представления) - более нагляден, а значит в некоторых случаях потенциально более надежен (позволяет до некоторой степени избежать грубых случайных ошибок, которые могут встречаться при абстрактных алгебраических вычислениях) и позволяет в некоторых случаях достичь в каком-то смысле более глубокого понимания задачи.

Рассматривая цепь переменного тока, содержащую только индуктивное сопротивление (смотрите статью "Катушка индуктивности в цепи переменного тока"), мы предполагали равным нулю активное сопротивление этой цепи.

Однако в действительности как провод самой катушки, так и соединительные провода обладают хотя и небольшим, но активным сопротивлением, поэтому цепь неизбежно потребляет энергию источника тока.

Поэтому при определении общего сопротивления внешней цепи нужно складывать ее реактивное и активное сопротивления. Но складывать эти два различных по своему характеру сопротивления нельзя.

В этом случае полное сопротивление цепи переменному току находят путем геометрического сложения.

Строят прямоугольный треугольник (см. рисунок 1) одной стороной которого служит величина индуктивного сопротивления, а другой - величина активного сопротивления. Искомое полное сопротивление цепи определится третьей стороной треугольника.

Рисунок 1. Определение полного сопротивления цепи, содержащей индуктивное и активное сопротивление

Полное сопротивление цепи обозначается латинской буквой Z и измеряется в омах. Из построения видно, что полное сопротивление всегда больше индуктивного и активного сопротивлений, отдельно взятых.

Алгебраическое выражение полного сопротивления цепи имеет вид:

(8)

где Z — общее сопротивление, R — активное сопротивление, XL — индуктивное сопротивление цепи.

Таким образом, полное сопротивление цепи переменному току, состоящей из активного и индуктивною сопротивлений, равно корню квадратному из суммы квадратов активного и индуктивного сопротивлений этой цепи.