Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ћетодика выполнени€ работы




ќбласть на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называетс€ электронно-дырочным или и р-п-переходом. Ёлектронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. –абота большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких п- р -переходов. –ассмотрим более подробно физические процессы в таком переходе.

 

Ёлектронно-дырочный переход при пр€мом напр€жении

 

ѕусть источник внешнего напр€жени€ подключен положительным полюсом к полупроводнику р -типа (рис. 13.1 а). “акое напр€жение, у которого пол€рность совпадает с пол€рностью основных носителей, называетс€ пр€мым. ƒействие пр€мого напр€жени€ ипр, вызывающее пр€мой ток iпр через переход, по€сн€етс€ потенциальной диаграммой на рис. 13.1, б.

Ёлектрическое поле, создаваемое в п- р -переходе пр€мым напр€жением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Ёто показано на рисунке векторами E к и E пр. –езультирующее поле становитс€ слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшаетс€, т. е. высота потенциального барьера понижаетс€, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер.

 

 

 

а)

 

б)

 

–ис. 13.1 Ёлектронно-дырочный переход при пр€мом напр€жении

 

“ок дрейфа при этом почти не измен€етс€, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на п- р -переход из n - и р -областей. ≈сли пренебречь падением напр€жени€ на сопротивлении областей п- и р -, то напр€жение на переходе можно считать равным uк - ипр. ƒл€ сравнени€ на рис. 13.1,б штриховой линией повторена потенциальна€ диаграмма при отсутствии внешнего напр€жени€.

 ак известно, в этом случае токи iдиф и iпр равны и компенсируют друг друга. ѕри пр€мом напр€жении iдиф > iдр и поэтому полный ток через переход, т. е. пр€мой ток уже не равен нулю:

 

iпр = iдиф - iдр > 0

≈сли барьер значительно понижен, то iдиф >> iдр можно считать, что iпр= iдиф пр€мой ток в переходе €вл€етс€ чисто диффузионным.

¬ведение носителей зар€да через пониженный под действием пр€мого напр€жени€ потенциальный барьер в область, где эти носители €вл€ютс€ неосновными, называетс€ инжекцией носителей зар€да.

 

Ёлектронно-дырочный переход при обратном напр€жении

 

ѕусть источник внешнего напр€жени€ подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным - к области р (рис. 13.2, а). ѕод действием такого обратного напр€жени€ иобр через переход протекает очень небольшой обратный ток i обр, что объ€сн€етс€ следующим образом. ѕоле, создаваемое обратным напр€жением, складываетс€ с полем контактной разности потенциалов. Ќа рис. 13.2, а это показывают одинаковые направлени€ векторов E к и Eобр. –езультирующее поле усиливаетс€, и высота потенциального барьера теперь равна u к + uобр (рис. 13.2, б). ”же при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращаетс€, т. е. iлиф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны дл€ преодолени€ барьера. ј ток проводимости остаетс€ почти неизменным, поскольку он определ€етс€ главным образом числом неосновных носителей, попадающих на n-р -переход из п- и р -областей. ¬ыведение неосновных носителей через п- р -переход ускор€ющим электрическим полем, созданным обратным напр€жением, называют экстракцией носителей зар€да (слово Ђэкстракци€ї означает Ђвыдергивание, извлечениеї).

 

а)

 

 

б)

 

–ис. 13.2 Ёлектронно-дырочный переход при обратном напр€жении

 

“аким образом, обратный ток ioбp представл€ет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. ќбратный ток получаетс€ очень небольшим, так как количество основных носителей очень мало.

 

¬ыпр€мительные устройства

 

ƒл€ питани€ электронной аппаратуры, электродвигателей посто€нного тока, электролизных и других установок возникает необходимость в выпр€млении переменного тока в посто€нный. ѕод выпр€млением понимаетс€ процесс преобразовани€ переменного тока в посто€нный с помощью устройств, обладающих односторонней проводимостью (электрических вентилей).

¬ыпр€мительные устройства обычно состо€т из трех основных элементов (рис. 13.3): трансформатора, электрического вентил€ и сглаживающего фильтра. “рансформатор позвол€ет измен€ть значение переменного напр€жени€, получаемого от источника питани€ до значени€ требуемого выпр€мленного напр€жени€. —глаживающие фильтры предназначены дл€ уменьшени€ пульсации выпр€мленного тока и напр€жени€ на выходе выпр€мительных устройств.

–ис. 13.3. —труктура выпр€мительного устройства

 

¬ыпр€мление переменного тока осуществл€етс€ электрическим вентилем. ¬ентиль преобразует переменное напр€жение в пульсирующее, что обеспечиваетс€ его свойством односторонней проводимости. ѕри пр€мом напр€жении вентиль имеет сопротивление, близкое к нулю, а при обратном напр€жении его сопротивление становитс€ очень большим.

Ёлектрические вентили по своим вольтамперным характеристикам подраздел€ют на две группы.   первой относ€т вакуумные электронные и полупроводниковые диоды.  о второй относ€т газоразр€дные (ионные) приборы. ќднако в насто€щее врем€ большинство выпр€мителей выполн€ют на полупроводниковых диодах германиевых и кремниевых. —иловые полупроводниковые вентили по сравнению с другими имеют р€д преимуществ: более высокий  ѕƒ, посто€нна€ готовность к работе, большой срок службы, мала€ масса и габариты, высока€ надежность.

¬ольтамперна€ характеристика полупроводникового диода
(рис. 13.4,б) отличаетс€ от идеальной характеристики вентил€
(рис. 13.4, а), так как при обратном напр€жении диод проводит ток. ќднако у хороших полупроводниковых диодов обратные токи весьма малы и несущественно вли€ют на работу выпр€мител€.

 

а) б)

–ис. 13.4. ¬ольт-амперна€ характеристика: а - идеальна€ характеристика вентил€ б - полупроводникового диода

 

ѕри выпр€млении переменного тока в зависимости от числа фаз сети, питающей выпр€мительное устройство, и характера нагрузки, а также требований, предъ€вл€емых к выпр€мленным току и напр€жению, электрические вентили могут быть соединены по различным схемам.

–ис. 13.5. —хема однополупериодного выпр€мител€

 

 

Ќа рис. 13.5 представлена простейша€ схема однополупериодного выпр€мител€, в состав которой вход€т трансформатор “р, вентиль ƒ и активна€ нагрузка R. ƒиаграммы напр€жений и тока в схеме однополупериодного выпр€мител€ показаны на рис. 13.6.

13.6. ƒиаграмма напр€жений и тока в схеме однополупериодного выпр€мител€

 

“ок в цепи нагрузки, включенной последовательно с вентилем, проходит лишь в те моменты времени, когда к вентилю приложено пр€мое напр€жение.  аждые полпериода напр€жение вторичной обмотки трансформатора мен€ет свой знак. ѕоэтому в течение одной половины периода к вентилю прикладываетс€ пр€мое напр€жение, в течение следующего полупериода - обратное.

„ерез вентиль и нагрузку ток проходит только в одном (пр€мом) направлении, т. е. ток в нагрузке получаетс€ посто€нным по направле≠нию, но пульсирующим. ¬ыпр€мленное напр€жение совпадает по форме с выпр€мленным током. „астота пульсаций выпр€мленного напр€жени€ равна частоте сети.

ѕульсирующие ток и напр€жение содержат посто€нные состав≠л€ющие. —реднее за период значение выпр€мленного (пульси≠рующего) напр€жени€, т. е. его посто€нна€ составл€юща€, определ€етс€ величиной U 0= U2m, где U - амплитудное значение напр€жени€ во вторичной обмотке трансформатора, или U 0=2 U2, где U2 Ц действующее значение напр€жени€.

 

 

ћаксимальное значение обратного напр€жени€, прикладываемого к вентилю, равно амплитудному значению U:

.

 ачество выпр€мител€ характеризуетс€ отношением посто€нной составл€ющей выпр€мленного напр€жени€ к действующему значению переменного напр€жени€: U0/U2. „ем больше значение этого отношени€, тем выше качество схемы выпр€мител€. ƒл€ однополупериодного выпр€мител€ U0/U2 = 0,45.

¬ажным требованием к выпр€мителю €вл€етс€ снижение пере≠менной составл€ющей выпр€мленного напр€жени€ при получении посто€нной составл€ющей. ¬ыполнение этого требовани€ характеризуетс€ коэффициентом пульсаций  п, равным отношению амплитудного значени€ переменной составл€ющей выпр€мленного напр€жени€ к его посто€нной составл€ющей:  п = Um/U0.

 оэффициент пульсаций часто определ€ют по первой гармонике:  п1 = Um1/U0., где Um1 амплитуда первой гармоники выпр€мленного напр€жени€. ƒл€ однополупериодного выпр€мител€  п1 =1,57.

  выпр€мител€м предъ€вл€етс€ также требование, касающеес€ режима работы вентилей: обратное напр€жение, прикладываемое к закрытым вентил€м, не должно намного превышать выпр€мленное напр€жение. ¬ыполнение этого требовани€ характеризуетс€ отношением максимального значени€ обратного напр€жени€ к среднему значению выпр€мленного: Uобр.m/U0 ƒл€ однополупериодного выпр€мител€: Uобр.m/U0=π.

  недостаткам однополупериодной схемы выпр€млени€ следует отнести значительные пульсации выпр€мленных тока и напр€жени€, а также недостаточно высокое использование трансформатора, так как по его вторичной обмотке при этом протекает ток только в течение полупериода. ¬ыпр€мители подобного типа примен€ют главным образом в маломощных установках, когда выпр€мленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглаживание пульсаций может быть обеспечено с помощью фильтра.

Ќа практике часто используют различные схемы двухполупериодных выпр€мителей.

 

 

 

а) б)

–ис. 13.7. —хемы двухполупериодного выпр€мител€: а - с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора; б - мостова€ схема

 

Ќа рис. 13.7, а, б представлены схемы двухполупериодного выпр€мител€ с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора и мостова€ схема. Ќаиболее распространена из них мостова€ схема, в которой не требуетс€ трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки, что позвол€ет получить двухполупериодное выпр€мление переменного тока при полном использовании мощности трансформатора.

„етыре вентил€ схемы образуют мост, к одной диагонали которого присоедин€ютс€ концы вторичной обмотки трансформатора, а к другой нагрузка выпр€мител€. ¬ентили в схеме работают поочередно попарно: при положительной полуволне напр€жени€ U2 котора€ соответствует пр€мому напр€жению вентил€ ƒ1, ток проходит через ƒ1, нагрузку и ƒ3, а при отрицательной полуволне напр€жени€ U2 соответствующей пр€мому напр€жению вентил€ ƒ2 ток проходит через ƒ2, нагрузку и ƒ4. Ќа рис. 12.6 представлены диаграммы напр€жений и тока в мостовой схеме. „астота пульсаций выпр€мленного напр€жени€ здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что увеличивает среднее значение вы≠пр€мленного напр€жени€:

 

.

 оэффициент пульсаций выпр€мленного напр€жени€ по первой гармонике  п1= 0,667.

ћаксимальное значение обратного напр€жени€, прикладываемого к закрытым вентил€м, равно амплитудному значению напр€жени€ U2m, так как падение напр€жени€ на открытых вентил€х близко к нулю, т. е.

 

.

–ис. 13.8. ƒиаграммы напр€жений и тока в мостовой схеме

 

ѕростейшие схемы выпр€мителей имеют большой коэффициент пульсаций выпр€мленного напр€жени€. ѕоэтому далее предусматривают сглаживающие фильтры.

 оэффициент пульсаций выпр€мленного напр€жени€ можно значительно снизить, если на выходе выпр€мител€ включить сглаживающий электрический фильтр. ѕростейшими сглаживающими фильтрами €вл€ютс€ конденсатор, включаемый параллельно слаботочной нагрузке (рис. 13.9, а) и дроссель, включаемый последовательно с сильноточной нагрузкой (рис. 13.9, б).

ƒругие фильтры (комбинированные), представл€ющие собой сочетани€ емкостных и индуктивных элементов, позвол€ют получить достаточно малые значени€ коэффициента пульсации.

ѕри использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпр€мленного напр€жени€ и тока происходит за счет периодической зар€дки конденсатора фильтра — (когда напр€жение на выходе трансформатора превышает напр€жение на нагрузке) и последующей его разр€дки на сопротивление
нагрузки RH.

 

 

а) б)

–ис. 13.9. —хемы простейших сглаживающих фильтров

 

 онденсатор, как известно, не пропускает посто€нной составл€ющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением дл€ переменных составл€ющих, чем выше их частота. ≈мкостные фильтры предпочтительно примен€ть в схемах выпр€млени€ с малыми значени€ми выпр€мленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживани€.

ѕростейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки - дроссел€, включаемого последовательно с нагрузкой. ¬ результате пульсаций выпр€мленного тока в катушке индуктивности возникает электродвижуща€ сила самоиндукции eL=±LЈdi/dt, котора€ в силу закона электромагнитной индукции стремитс€ сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а следовательно, и пульсации напр€жени€ на ее зажимах. »ндуктивные фильтры обычно примен€ют в схемах выпр€млени€ с большими значени€ми выпр€мленного тока, так как в этом случае увеличиваетс€ эффективность сглаживани€.

 ачество фильтра оценивают коэффициентом сглаживани€

 

 сглпвхп.вых,

где  пвх и  п.вых - коэффициенты пульсаций выпр€мител€ на входе и выходе фильтра.

„ем больше  сгл тем эффективнее работает фильтр.

ѕри работе выпр€мител€ часть выпр€мленного напр€жени€ падает на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора, на пр€мом сопротивлении открытого вентил€, на элементах сглаживающего фильтра. — увеличением выпр€мленного тока I0 подобные потери напр€жени€ увеличиваютс€, а напр€жение на нагрузке U 0 уменьшаетс€. «ависимость U0 = f (I0) называют внешней характеристикой выпр€мител€ (рис. 13.10). „ем меньше измен€етс€ напр€жение на нагрузке U0 при изменении тока I0, тем выше качество выпр€мител€.

 

13.10. ¬нешн€€ характеристика выпр€мител€

ѕќ–яƒќ  ѕ–ќ¬≈ƒ≈Ќ»я –јЅќ“џ

 

1. ѕо конспекту лекций изучите устройство и принцип действи€ выпр€мителей на полупроводниковых диодах.

2. ќзнакомьтесь с экспериментальной установкой (рис. 13.11 ) дл€ исследовани€ различных выпр€мительных схем, а также необходимыми дл€ выполнени€ работы измерительными приборами и оборудованием. «апишите технические данные всех приборов, используемых в работе, в табл. 13.1.

 

“аблица 13.1

“ехнические характеристики приборов

Ќаименование прибора —истема прибора  ласс точности ѕределы измерений ÷ена делени€
         

 

3. ѕодготовьте установку к проведению исследований (под руководством преподавател€):

а) подключите амперметр дл€ измерени€ выпр€мленного тока нагрузки;

б) подключите цифровой вольтметр дл€ измерени€ выпр€млен≠ного напр€жени€ на нагрузке;

в) подключите осциллограф OMC-26 дл€ наблюдени€ и регистрации формы выпр€мленного напр€жени€ на нагрузке;

г) подключите источник регулируемого переменного напр€же≠ни€, с помощью которого установите напр€жение на входе выпр€мительного устройства ¬ и при проведении опытов поддерживайте его неизменным.

 

   
 

 

–ис. 13.11. —хема лабораторной установки

 

4. »сследуйте выпр€митель, собранный по однополупериодной схеме (рис. 13.12) при работе без сглаживающих фильтров. ѕри этом выключателей и в цеп€х конденсаторов разомкнуты, выключатель в шунтирующей цепи дроссел€ и выключатель в цепи нагрузки - замкнуты, выключатель отжат, выключатель
- разомкнут.

–ис. 13.12 ќднополупериодна€ схема выпр€млени€

 

ѕри выполнении исследований начальный вертикальный размер осциллограммы должен быть равен 30 - 40 мм. ќсциллограмма зарисовываетс€ в прин€том масштабе на миллиметровой бумаге, а показани€ всех измерительных приборов занос€тс€ в табл. 13.2.

 

“аблица 13.2

–езультаты исследований

Ќомер опыта —хема выпр€млени€ “ип фильтра »змерено ¬ычислено
, ¬ , ¬ , ¬ , ј Uобр max, ¬
                 

 

¬ табл. 13.2: U1 - напр€жение питающей сети, U2 - половина действующего значени€ напр€жени€ на вторичной обмотке согласующего трансформатора; UH, IH - измеренные выпр€мленные значени€ напр€жени€ и тока нагрузки; g - коэффициент пульсаций напр€жени€ и тока нагрузки

5. ѕроведите исследовани€, аналогичные п. 4, снима€ осциллограмму с экрана осциллографа и записыва€ показани€ всех измерительных приборов в табл. 13.2 при включении в схему выпр€мител€:

- индуктивного (дроссельного) сглаживающего фильтра;

- емкостного сглаживающего фильтра (дроссель закорочен);

- индуктивно-емкостного (L - — типа) ѕ-образного сглаживающего фильтра;

- индуктивно-емкостного (L -— типа) ѕ-образного сглаживающего фильтра. ќсциллограммы всех опытов должны быть зарисованы в прин€том в п. 4 масштабе при неизменной частоте генератора развертки осциллографа.

6. »сследуйте двухполупериодный выпр€митель с нулевым выводом трансформатора (рис. 13.13). ƒл€ этого в схеме (рис. 13.11) выключатель B2 необходимо замкнуть и провести те же измерени€, что и при однополупериодном выпр€млении. ѕоказани€ всех измерительных приборов занести в табл. 13.2.

 

–ис. 13.13. ƒвухполупериодна€ схема с нулевым выводом трансформатора

 

7. »сследуйте двухполупериодный выпр€митель с мостовой выпр€мительной схемой (рис. 13.14). ƒл€ перехода от схемы, используемой в п.6, к мостовой необходимо нажать выключатель B1.  роме того, необходимо уменьшить вдвое напр€жение на вторичной обмотке трансформатора. «атем провести те же исследовани€, что и при выполнении опытов в п. 4, 5.

 

–ис. 13.14. ƒвухполупериодна€ мостова€ схема выпр€млени€

 

8. ѕроведите обработку результатов опытов:

а) дл€ одно- и двухполупериодных выпр€мительных схем без сглаживающих фильтров рассчитать значение коэффициента пульсаций g, под которым понимаетс€ отношение амплитуды Am наиболее выраженной гармонической составл€ющей напр€жени€ или тока, к посто€нной составл€ющей напр€жени€ или тока, если

- гармонический р€д дл€ кривых, получаемых в процессе однополупериодного выпр€млени€

 

;

- гармонический р€д дл€ кривых, получаемых в процессе двухполупериодного выпр€млени€

 

;

б) дл€ этих же схем по измеренному при помощи осциллографа амплитудному значению напр€жени€ на вторичной обмотке U2m определить максимальное значение обратного напр€жени€ на диодах Uобр max, которое в случае однополупериодного выпр€млени€ равно U2m, в случае двухлолупериодной схемы с нулевым выводом трансформатора 2 U2m, а в мостовой схеме U2m /2.

 ќЌ“–ќЋ№Ќџ≈ ¬ќѕ–ќ—џ » «јƒјЌ»я

 

1.  аков принцип работы полупроводникового диода?

2. ѕо€сните назначение выпр€мительных устройств.

3. ”кажите, какие требовани€ предъ€вл€ютс€ к диодам, используемым в выпр€мител€х.

4. ѕо€сните принцип действи€ одно- и двухполупериодных схем выпр€млени€.

5. Ќазовите основные виды сглаживающих фильтров. ¬ каких случа€х целесообразно использовать индуктивные, а в каких - емкостные или их сочетани€?

6. ѕо€сните назначение согласующего трансформатора в выпр€мительных схемах.

 


ЋјЅќ–ј“ќ–Ќјя –јЅќ“ј є14





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-12-05; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 934 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ѕутерброд по-студенчески - кусок черного хлеба, а на него кусок белого. © Ќеизвестно
==> читать все изречени€...

2093 - | 2021 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.062 с.