Теоретичні відомості до лабораторної роботи. Основою будь-якого випрямляча є напівпровідниковий діод (електричний вентиль)

Основою будь-якого випрямляча є напівпровідниковий діод (електричний вентиль).

Напівпровідниковим діодом називається прилад, який містить один pn -перехід, має два зовнішні виводи анод А та катод К, і характеризується двома усталеними станами: відкритим та закритим.

Схемне позначення напівпровідникового діода, його структура та вольтамперна характеристика (ВАХ) наведені на рис. 1.2.

Головна властивість діода – це його здатність пропускати струм тільки в одному напрямку. Напівпровідниковий діод будується на основі структури, яка називається pn -переходом, і є прикордонною зоною на межі розподілу областей напівпровідникового матеріалу з різним типом провідності (рис. 1.2).

Розглянемо принцип утворення pn -переходу, який є основою функціонування всіх напівпровідникових елементів.

При контакті областей напівпровідникового матеріалу з різними типами провідності, внаслідок різниці концентрацій дірки починають дифундувати з p в n область, а електрони навпаки з n в p область. Області з різним типом провідності утворюються шляхом введення донорних та акцепторних домішків у від­повідні зони кристалу напівпровідника.

а) б)

Рис. 1.2. Випрямляючий діод: позначення та структура (а), ВАХ (б)

В першу чергу, будуть дифундувати дірки та електрони, що розташовані в прикордонній області. В результаті переміщення зазначених зарядів утвориться струм, що називається струмом дифузії pn -переходу.

Після відходу дірок із прикордонної p -області там утвориться негативний об'ємний заряд, обумовлений негативними іонами акцепторного домішку, а на границі з боку n -області утвориться позитивний об'ємний заряд, обумовлений позитивними іонами донорного домішку. Внаслідок рекомбінації вільних носіїв заряду в прикордонній зони, її опір зростає. Саме ця зона, позбавлена вільних носіїв заряду, по обидва боки якої розташовані додатні та від'ємні іони, називається p - n переходом.

Ширина області pn -переходу – частки мікрометра. Між об'ємними зарядами на границі розділу виникає електричне поле , яке спрямовано від позитивного до негативного об'ємного заряду. Це поле перешкоджає подальшому переходові основних носіїв між областями з різним типом провідності.

Різниця потенціалів між об'ємними зарядами називається потенціальним бар'єром . Для германію , для кремнію . Потенціальний бар'єр визначає мінімальне значення напруги, яка має бути прикладена до діода, щоб він перейшов у відкритий стан.

Для неосновних носіїв заряду (електронів з p -області і дірок з n -області) електричне поле буде прискорюючим і вони вільно проходять pn -перехід, утворюючи струм дрейфу.

Якщо відсутні зовнішні впливи (наприклад, зовнішнє електричне поле), струм дифузії завжди дорівнює струму дрейфу, і сумарний струм через pn- перехід дорівнює нулю ().

Якщо до pn- переходу прикласти зовнішню напругу, то його властивості будуть залежати від полярності прикладеної напруги. При прямій полярності напруги («+» до p- області, «−» до n- області) зовнішнє поле , обумовлене прикладеною напругою, буде спрямовано назустріч внутрішньому полю (рис. 1.2.а). При достатній величині прикладеної напруги зовнішнє поле компенсує внутрішнє. В результаті цього, основні носії зможуть вільно проходити через p-n перехід. Потрапляючи в область переходу, вони різко зменшують його опір. У цьому випадку говорять, що діод відкритий і через нього можуть протікати великі струми порядку одиниць і десятків ампер.

Якщо до pn- переходу прикласти напругу зворотної полярності (рис.1.2,а), зовнішнє поле буде складатися з внутрішнім. В результаті, область підвищеного опору розширюється. При цьому через pn- перехід протікає незначний зворотний струм, порядку мікроампер, обумовлений неосновними носіями заряду. Оскільки концентрація неосновних носіїв заряду на кілька порядків нижче, ніж основних, зворотний струм pn- переходу завжди менше прямого на кілька порядків. Отже, можна вважати, що pn- перехід має вентильну властивість, тобто пропускає струм тільки в одному напрямку. На основі pn- переходу будуються різні типи напівпровідникових приладів, зокрема випрямні діоди.

Як видно з ВАХ діода (рис. 1.2.б), при прямій напрузі ("+" до анода, "−" до катода) падіння напруги на діоді невелике, а струм через діод значний. При зворотних напругах через діод протікає практично постійний незначний зворотний струм.

На зворотній гілці ВАХ виділяється декілька областей. В третій області (ІІІ на рис. 1.2.б) при напругах через закритий діод протікає зворотний струм , зумовлений дрейфом неосновних носіїв. Зворотна напруга змінюється знач­но, а зворотний струм практично постійний. В четвертій зоні (ІV на рис. 1.2.б) при перевищенні зворотною напругою значення відбува­ється лавинний електричний пробій pn -переходу напівпровідника, внаслі­док чого різко зростає зворотний струм . При цьому зворотна нап­руга практично не змінює свого значення. В зоні V (рис. 1.2.б) електричний пробій переходить у тепловий.

На ділянці ІV зворотної гілки відбувається стабілізація зворотної напруги діода, що використовується в роботі такої різновидності діодів як стабілітрони. Ці прилади застосовуються в стабілізаторах – пристроях які підтримують незмінною вихідну напругу при зміні вхідної напруги або при дії інших дестабілізуючих факторів (див. лаб. роб. № 8).

Основні параметри випрямних діодів наступні:

– середнє значення прямого струму, що може довгостроково протікати через прилад, при припустимому його нагріванні. За параметром випрямні діоди поділяються на три групи: 1) малопотужні (); 2) середньої потужності (); 3) силові вентилі ();

– середнє значення прямої напруги, що відповідає струму ;

– зворотний струм, що протікає через діод при прикладеній зворотній напрузі;

– гранично припустима амплітуда зворотної напруги, що може витримати діод.

Якщо до діода прикласти зворотну напругу , починається різке зростання зворотного струму. Воно обумовлено наступними причинами. При протіканні струму через pn- перехід, у ньому виділяється теплота. Зі зростанням кількість теплоти зростає. Якщо теплота, що виділяється, не встигає розсіюватися, температура кристалу зростає, що призводить до виникнення додаткових вільних носіїв зарядів. Як наслідок, зростає зворотний струм, що, в свою чергу, призводить до ще більшого зростання температури. Ці процеси відбуваються лавиноподібно. В результаті, температура кристалу різко зростає аж до температури плавлення. При цьому pn- перехід руйнується і прилад виходить з ладу. Розглянутий вид пробою називається тепловим (ділянка V рис. 1.2.б).

Як вже було сказано раніше, діоди є основними елементами випрямлячів.

Випрямлячем називається пристрій, призначений для перетворення змінної напруги, полярність якої змінюється, у пульсуючу, полярність якої залишається постійною.

Для одержання з пульсуючої напруги постійної, на виході випрямляча звичайно ставиться згладжувальний фільтр.

Таким чином, випрямляч спільно зі згладжувальним фільтром, є пристроєм, що перетворює змінну напругу в постійну.

Найпростішим випрямлячем є однофазна однопівперіодна схема, що представляє собою діод , включений послідовно між джерелом змінної напруги вторинної обмотки трансформатора , і навантаженням (рис. 1.3). Оскільки діод пропускає струм тільки в одному напрямку, на навантаженні будуть виділятися тільки позитивні напівхвилі синусоїдальної напруги . При негативній напівхвилі напруги, діод закритий і напруга на навантаженні . Це є недоліком розглянутої схеми.

Рис. 1.3. Схема однопівперіодного випрямляча та часові діаграми його роботи

Більш широке застосування знаходять двопівперіодні схеми, що забезпечують на навантаженні обидві напівхвилі вхідної синусоїдальної напруги.

Для побудови двопівперіодної схеми з нульовим виводом (рис. 1.4) необхідний трансформатор з виводом від середньої точки (з нульовим виводом).

Рис. 1.4. Схема випрямляча з нульовим виводом та часові діаграми його роботи

При позитивній напівхвилі напруги в схемі двопівперіодного випрямляча з нульовим виводом відкритий вентиль , і струм навантаження формується за рахунок струму першого вентиля . При негативній напівхвилі напруги відкритий вентиль , і струм навантаження формується за рахунок струму другого вентиля . Випрямлена напруга являє собою позитивні напівхвилі напруг напівобмоток і . Амплітудне значення випрямленої напруги дорівнює амплітуді напруги на напівобмотках трансформатора.

Недоліком даної схеми є те, що в ній до закритого вентиля прикладається зворотна напруга, амплітуда якого дорівнює . Це пов'язано з тим, що в схемі завжди відкритий лише один з вентилів. При цьому через відкритий вентиль до закритого прикладається напруга, рівна сумарній напрузі двох напівобмоток. Таким чином, у розглянутій схемі амплітуда зворотної напруги на вентилі в 2 рази перевищує амплітуду випрямленої напруги. Це обмежує застосування даної схеми, особливо при підвищених значеннях випрямленої напруги.

Найбільш широке застосування знаходить однофазна мостова схема випрямлення (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема мостового випрямляча та часові діаграми його роботи

При позитивній напівхвилі напруги, в мостовому випрямлячі відкриті вентилі і , при негативній – і . У результаті, струм у навантаженні протікає увесь час в одному напрямку. Основні часові діаграми в даній схемі такі ж, як і в попередній. Розходження полягає в тому, що в ній до закритого вентиля прикладається зворотна напруга, амплітуда якого дорівнює амплітуді випрямленої напруги. Це перевага даної схеми перед схемою з нульовим виводом. Недоліком мостової схеми є необхідність більшого числа вентилів (чотирьох), порівняно зі схемою з нульовим виводом, що призводить до збільшення активних втрат на опорах відкритих діодів та до зменшення коефіцієнту корисної дії перетворювача.