Файл: И. М. Губкина кафедра автоматизации технологических процессов Д. В. Мартынов Методические указания.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 94
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через р-п-переход от температуры.
Сплавные диоды обычно используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенид-галлиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.
Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения Uна переходе описывается уравнением Эберса-Молла:
(1.1)
где Is - обратный ток насыщения диода, а
- тепловой потенциал.
Поскольку для полупроводниковых материалов при Т=300К тепловой потенциал
= 25 мВ, то уже при U = 0,1В можно пользоваться упрощенной формулой:
(1.2)
Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:
(1.3)
Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выр
ажения (1.2) и (1.3), а именно:
или (1.4)
При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток составляет от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:
(1.5)
где R- сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.
На рис. 1.1.а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рис. 1.1.б. Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области п - катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рис. 1.1.в.
Рис. 1.1. Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольтам-перная характеристика (в) полупроводникового диода:
Стабилитрон
Стабилитрон - это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении p-n-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным. На рис. 1.2.(а, б) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 1.2.в приведена типовая ВАХ.
Рис. 1.2. Схематическое изображение стабилитронов
(а - односторонний, б - двухсторонний) и их ВАХ (в):
Uct — напряжение стабилизации.
Лавинный ток для типового маломощного кремниевого стабилитрона составляет примерно 10мА, поэтому для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают ограничительное сопротивление
Rб (рис1.3.а). Если лавинный ток таков, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать неограниченно долго. Для большинства стабилитронов предельно допустимая рассеиваемая мощность составляет от 100 мВт до 8 Вт.
Рис. 1.3. Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б):
Rб - балластный резистор, Ubx входное напряжение,
Rh - сопротивление нагрузки.
Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого
смещения падение напряжения на p-n-переходе составляет, как правило, 0,7В...2 В, поэтому, стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление Rб (рис. 1.3.6). Дифференциальное сопротивление стабилитрона - это параметр, который характеризует наклон его вольтамперной характеристики в области пробоя.
(1.6)
На рис. 1.4 показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона, который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора.
Рис.1.4. Линеаризованная характеристика стабилитрона.
Полупроводниковые выпрямители
Основное назначение выпрямителей заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности напряжения, приложенного к входу выпрямителя. Существуют разновидности полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов и схемой их включения. Ниже рассмотрены не
которые из этих схем.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителяприведена на; рис. 1.5
Рис, 1,5. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя.
Тр – трансформатор, Rн -сопротивление нагрузки, U1, U2- напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, Uн - напряжение на нагрузке.
Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения (рис. 1.6). Среднее значение напряжения на выходе такого выпрямителя вычисляется по формуле:
(1.7)
где Um - амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора; Т - период входного напряжения; ω - круговая частота сигнала, ω = 2π/Т.
Период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя равен периоду входного сигнала. Максимальное обратное напряжение на диоде равно максимуму входного напряжения:
Umax=Um (1.8)
Рис. 1.6. Форма напряжений на входе (а) и выходе (б) однофазного однополупериодного выпрямителя.
На рис. 1.7 приведена схема двухфазного двухполупериодного выпрямителя. По сути, она представляет собой два параллельно соединенных однофазных выпрямителя, которые питаются от двух половин вторичной обмотки трансформатора.
Рис.1.7. Схема двухполупериодного выпрямителя.
В результате создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма напряжения на выходе такого выпрямителя приведена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Форма напряжений на входе (а) и выходе (б) двухфазного двухполупериодного выпрямителя.
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель характеризуется хо
рошим использованием трансформатора. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя вычисляется по формуле:
(1.9)
Период сигнала на выходе двухполупериодного выпрямителя в два раза меньше чем у однополупериодного. Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно разности максимального значения напряжения на вторичной обмотке (сумма напряжений на двух полуобмотках и2= U2' + U2 ") и прямого падения напряжения на диоде Uпр:
(1.10)
Наиболее широкое практическое распространение получил однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Схема однофазного мостового выпрямителя.
Форма напряжений на входе и выходе мостового выпрямителя, а также среднее значение выходного напряжения UBbIXтакие же, как и для двухфазного двухполупериодного выпрямителя. Максимальное обратное напряжениеv Umaх для мостового выпрямителя равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора.
Мостовой выпрямитель в отличие от двухфазного двухполупериодного может работать без трансформатора. К недостаткам мостовой схемы относится удвоенное число выпрямительных диодов.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
В состав лабораторного стенда входят:
РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Подготовьте шаблон отчета в редакторе MS Word. Установите лабораторный модуль
Сплавные диоды обычно используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенид-галлиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.
Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения Uна переходе описывается уравнением Эберса-Молла:
(1.1)где Is - обратный ток насыщения диода, а
- тепловой потенциал.Поскольку для полупроводниковых материалов при Т=300К тепловой потенциал
= 25 мВ, то уже при U = 0,1В можно пользоваться упрощенной формулой: (1.2)Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:
(1.3)
Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выр
ажения (1.2) и (1.3), а именно:
или (1.4)
При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток составляет от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:
(1.5)
где R- сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.
На рис. 1.1.а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рис. 1.1.б. Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области п - катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рис. 1.1.в.
Рис. 1.1. Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольтам-перная характеристика (в) полупроводникового диода:
Стабилитрон
Стабилитрон - это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении p-n-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным. На рис. 1.2.(а, б) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 1.2.в приведена типовая ВАХ.
Рис. 1.2. Схематическое изображение стабилитронов
(а - односторонний, б - двухсторонний) и их ВАХ (в):
Uct — напряжение стабилизации.
Лавинный ток для типового маломощного кремниевого стабилитрона составляет примерно 10мА, поэтому для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают ограничительное сопротивление
Rб (рис1.3.а). Если лавинный ток таков, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать неограниченно долго. Для большинства стабилитронов предельно допустимая рассеиваемая мощность составляет от 100 мВт до 8 Вт.
Рис. 1.3. Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б):
Rб - балластный резистор, Ubx входное напряжение,
Rh - сопротивление нагрузки.
Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого
смещения падение напряжения на p-n-переходе составляет, как правило, 0,7В...2 В, поэтому, стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление Rб (рис. 1.3.6). Дифференциальное сопротивление стабилитрона - это параметр, который характеризует наклон его вольтамперной характеристики в области пробоя.
(1.6)
На рис. 1.4 показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона, который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора.
Рис.1.4. Линеаризованная характеристика стабилитрона.
Полупроводниковые выпрямители
Основное назначение выпрямителей заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности напряжения, приложенного к входу выпрямителя. Существуют разновидности полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов и схемой их включения. Ниже рассмотрены не
которые из этих схем.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителяприведена на; рис. 1.5
Рис, 1,5. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя.
Тр – трансформатор, Rн -сопротивление нагрузки, U1, U2- напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, Uн - напряжение на нагрузке.
Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения (рис. 1.6). Среднее значение напряжения на выходе такого выпрямителя вычисляется по формуле:
(1.7)
где Um - амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора; Т - период входного напряжения; ω - круговая частота сигнала, ω = 2π/Т.
Период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя равен периоду входного сигнала. Максимальное обратное напряжение на диоде равно максимуму входного напряжения:
Umax=Um (1.8)
Рис. 1.6. Форма напряжений на входе (а) и выходе (б) однофазного однополупериодного выпрямителя.
На рис. 1.7 приведена схема двухфазного двухполупериодного выпрямителя. По сути, она представляет собой два параллельно соединенных однофазных выпрямителя, которые питаются от двух половин вторичной обмотки трансформатора.
Рис.1.7. Схема двухполупериодного выпрямителя.
В результате создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма напряжения на выходе такого выпрямителя приведена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Форма напряжений на входе (а) и выходе (б) двухфазного двухполупериодного выпрямителя.
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель характеризуется хо
рошим использованием трансформатора. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя вычисляется по формуле:
(1.9)
Период сигнала на выходе двухполупериодного выпрямителя в два раза меньше чем у однополупериодного. Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно разности максимального значения напряжения на вторичной обмотке (сумма напряжений на двух полуобмотках и2= U2' + U2 ") и прямого падения напряжения на диоде Uпр:
(1.10)
Наиболее широкое практическое распространение получил однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Схема однофазного мостового выпрямителя.
Форма напряжений на входе и выходе мостового выпрямителя, а также среднее значение выходного напряжения UBbIXтакие же, как и для двухфазного двухполупериодного выпрямителя. Максимальное обратное напряжениеv Umaх для мостового выпрямителя равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора.
Мостовой выпрямитель в отличие от двухфазного двухполупериодного может работать без трансформатора. К недостаткам мостовой схемы относится удвоенное число выпрямительных диодов.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
В состав лабораторного стенда входят:
-
базовый лабораторный стенд; -
лабораторные модули Lab1.1А для исследования ВАХ выпрямительного диода КД103А и стабилитрона КС168А, Lab1.2А с диодом Д20 и стабилитроном Д818Е, Lab1.3А с диодом SS24 и стабистором 2С113.
РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Подготовьте шаблон отчета в редакторе MS Word. Установите лабораторный модуль