Диоды, стабилитроны и тиристоры

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

д.т.н., проф. О.В. Григораш

«____»____________20__г.

 

Дисциплина «Электротехника и электроника»

 

Раздел 3. Основы электроники, электрические измерения

И электробезопасность

Л е к ц и я № 9

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Цель занятия: Изучить назначение, принцип работы и вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов: диодов, стабилитронов, тиристоров и транзисторов, а также оптоэлектронных приборов

Диоды, стабилитроны и тиристоры

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Электронными называют устройства, в которых преобразование электроэнергии и сигналов реализуется с помощью электронных элементов - полупроводниковых приборов, к которым относятся диоды, стабилитроны, тиристоры, транзисторы и оптоэлектронные приборы на их основе.

 

Полупроводниковые приборы применяются в системах автоматики, контроля, сигнализации и защиты, а также в системах управления электротехническими устройствами. Кроме того, на их базе созданы статические преобразователи электроэнергии: выпрямители, инверторы, конверторы и преобразователи частоты.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Полупроводниками называют вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах , и занимающие по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

 

Диоды представляют собой двухслойную структуру, которая образуется в одном кристалле. Один слой имеет электропроводимость р – типа, а другой n – типа.Эти слои разделены слоем, в котором сосредоточен пространственный заряд положительно и отрицательно заряженных неподвижных ионов (рис.13.1, квадрант II), которые формируются из атомов потерявших электрон. Иногда р–n переход называют электронно-дырочный переход, где дырки являются положительным зарядом.

 

ЭТО ВАЖНО. Полупроводниковые диоды – это электронные приборы с одним p - n – переходом и двумя выводами, называемые анодом (А) и катодом (К) (рис.13.1). Обозначаются диоды в электрических схемах: VD.

Считают, что диод подключен в прямом направлении, когда к аноду подключен положительный потенциал, а к катоду отрицательный потенциал источника тока, т.е. при таком подключении потенциалов диод открыт, и проводимость р–n возрастает. Этому соответствует ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) в I квадранте (рис.9.1). В прямом направлении через диод проходит большой ток I_пр. При подключении диода в обратном направлении (положительный потенциал на катоде, а отрицательный на аноде) ток I_обр, небольшой, исчисляемый в мкА. Этому соответствует ветвь в III квадранте (рис.9.1). В этом случае диод закрыт, и его проводимость практически равна нулю.

Таким образом, диоды обладают односторонней проводимостью – пропускают ток только в одном направлении.

В прямом направлении к диоду приложено небольшое напряжение U_пр, в обратном направлении напряжение на диоде, как правило, равно напряжению источника питания. Однако если обратное напряжение U_обр, приложенное к диоду, превысит определенное значение, называемое напряжением пробоя U_проб, то возникает электрический пробой, характеризующийся резким возрастанием обратного тока, при незначительном изменении обратного напряжения.

Номинальные значения основных параметров диодов приводятся в справочниках. К ним относятся:

максимальный прямой ток I_прmax – самый большой ток, который может длительное время протекать через диод, не повреждая его;

максимальное обратное напряжение U_обрmax – наибольшее значение напряжения, которое диод может выдержать длительное время без пробоя в закрытом состоянии.

 

 

В настоящее время существует большое разнообразие конструкций и параметров диодов. В зависимости от применяемого материала они бывают германиевые и кремниевые. Диоды применяют в схемах выпрямителей (преобразует переменный ток в постоянный), а также используются в электрических схемах в качестве ограничителей электрических сигналов.

По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток до 0,3 А), средней (ток от 0,3 до 10 А) и большой мощности (ток от 10 А до 1000 А и выше).

Стабилитроны. При низких напряжениях электрического пробоя мощность, выделяющая в диоде на обратной ветви ВАХ (квадрант III рис.9.1), невелика, поэтому возможна длительная работа прибора. Этот режим используется в стабилитронах. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок, расположенный в квадранте III. В квадранте I стабилитрон работает как обычный диод.

В электрических схемах буквенное обозначение стабилитрона, такое же, как и у диода: VD. Однако графическое обозначение несколько отличается (рис.9.2).

Тиристоры. Полупроводниковые приборы, отличающиеся

высоким значением коэффициента усиления по току управления (более 1000), а также большими значениями рабочих токов и напряжений, называются тиристорами. Они широко применяются в автоматических и регулирующих устройствах.

Тиристоры – полупроводниковые приборы с тремя переходам p-n-p-n, которые имеют два устойчивых состояния: открыт или закрыт. Иногда на тиристоры говорят управляемые диоды (вентили). Буквенное обозначаются в электрических схемах: VS. Прибор имеет три вывода (рис.9.3), соответствующие аноду А, катоду К и управляющему электроду УЭ.

Тиристор, как и диод, обладает односторонней проводимостью. Для электрических цепей переменного тока разработан специальный прибор симметричный тиристор (симистор), который может быть в проводящем состоянии в обоих направлениях (т.е. независимо от полярности приложенного к нему напряжения).

 

ЭТО ВАЖНО. Если тиристор подключить в прямом направлении (на аноде «+», а на катоде «-») и не подключить систему управления СУ (рис.9.3), то тиристор не откроется. Для его открытия необходимо от системы управления СУ подать управляющий сигнал, с полярность как показано на рис.9.3. Особенностью работы тиристора является то, что после снятия управляющего сигнала, если к анаду и катоду будет приложено прямое напряжение, он останется открытым. Выключить тиристор можно двумя способами: первый, путем прерывания протекания анодного тока I_А; второй, снижения прямого напряжения U_АК до нуля или до отрицательного значения.

 

Таким образом, управляющая цепь тиристора выполняет только одну функцию – включение прибора.

ВАХ тиристора, при различных значениях тока управления I_у, приведена на рис.9.4. При обратном напряжении эта характеристика у тиристора такая же, как и у диода. Как видно из ВАХ изменение величины тока управления I_у приводит только к изменению напряжения открытия тиристора.

 

Номинальные параметры тиристора приводятся в справочниках, к основным параметрам относятся: максимальное значение прямого тока; максимальное значение обратного напряжения; значение управляющего тока включения (наименьшее значение тока управления, при котором откроется тиристор); напряжение прямого включения (напряжение при котором происходи открытие тиристора); время включения и время отключения.

 

Транзисторы

 

Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы имеют трехслойную структуру с p-n-p или n-p-n переходами. Они имеет три вывода (три электроды) для подключения к внешней цепи, крайние слои называются эмиттером (Э), коллектором (К), а между ними находится база (Б) (рис.9.5). Буквенное обозначение транзисторов: VT. В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный – переход между эмиттером и базой и коллекторный – переход между коллектором и базой. Наличие в структуре транзисторов двух типов полярностей и обусловило термин «биполярный».

В настоящее время биполярные транзисторы являются наиболее распространенным видом транзисторов, поэтому часто их называют просто транзисторами, опуская слово «биполярный».

С помощью транзисторов осуществляется управление током и усиление сигналов в схемах полупроводниковой электроники, т.е. они могут работать как в ключевом режиме (как тиристоры), так и в усилительном режиме.

 

ЭТО ВАЖНО. В отличие от тиристоров транзисторы открыты только тогда, когда на управляющих электродах есть управляющий сигнал, после его снятия транзисторы закрываются.

Для того чтобы в цепях коллектора и эмиттера (через силовые электроды) протекал ток I_К, необходимо чтобы для соответствующего типа транзистора, с p-n-p или n-p-n, соответствовали потенциалы на электродах как показано на рис.9.5.

 

ЭТО ВАЖНО. В зависимости от общего электрода для входной и выходной цепей транзисторы можно включать тремя способами (рис.9.6): по схеме с общим эмиттером (получают наибольшее усиление); по схеме с общей базой (наибольшая стабильность в работе); по схеме с общим коллектором (обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением).

 

Если на вход (эмиттер – база) подано входное напряжение U_ВХ (рис.9.6), то происходит изменение токов I_Б и I_К. С резистора нагрузки R_Н снимают выходной сигнал U_ВЫХ и подают его для дальнейшего использования. Когда R_Н = 0 снимают статические характеристики - ВАХ транзисторов.

ВАХ транзистора приведены на рис.9.7. Как видно из рис.13.7, а что характеристика силовой цепи (выходная характеристика) транзистора зависит от тока управления – тока базы I_Б. Для изменения величины тока базы I_Б необходимо изменять напряжение питания системы управления (СУ).

Основными параметрами транзистора являются: максимальная мощность на коллекторном переходе Р_Кmax; максимально допустимый ток коллектора I_Кmax; максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер U_КЭmax.

По ВАХ, например, транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.9.6, б), можно найти выходное сопротивление (около 20¸50 кОм)

(9.1)

входное сопротивление (около 1¸5 кОм)

(9.2)

и коэффициент усиления по току

(9.3)

Чем больше усиление входного сигнала, тем выше b.

 

 

ЭТО ВАЖНО. Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окружающей среды, что является общим недостатком полупроводниковых приборов.

Использование биполярных транзисторов в ряде случаев затруднено, так как эти приборы управляются током, т.е. употребляют заметную мощность от входной цепи. Этих недостатков лишены полевые транзисторы.

 

 

 

ЭТО ВАЖНО. Полевые транзисторы – полупроводниковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи (цепи управления). Управление таких приборов осуществляется электрическим полем. Регулирование значения тока осуществляется поперечным магнитным полем, а не током, как в биполярных транзисторах.

 

Электроды полевого транзистора, используемые для подключения к силовой цепи, называются сток (С) и исток (И), а управляющий электрод называется затвором (З) (рис.9.8, а, б).

Принцип действия полевого транзистора с каналом р -типа (рис.9.8. а). На рис.9.8, в приведено семейство выходных характеристик полевого транзистора, а на рис.9.9 его структурная схема.

При управляющем напряжении U_ЗИ = 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком U_СИ по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение U_СИ вызывает обратное смещение р-n перехода между каналом р – типа и n – слоем, причем наибольшее обратное напряжение на р-n переходе существует в области прилегающей к стоку, а в близи истока р-n переход находится в равновесном состоянии.

 

 

При увеличении напряжения U_СИ область двойного электрического слоя р-n перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться. Особенно сильно расширение перехода проявляется в близи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение р-n перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивление канала возрастает.

При некотором напряжении U_СИ границы р-n перехода смыкаются и рост тока I_С при увеличении U_СИ прекращается.

Таким образом, увеличивая напряжение U_ЗИ, можно уменьшить ток I_С.

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток I_З р-n перехода, находящийся под действием обратного напряжения.

 

 

Оптоэлектронные приборы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности, называется фоторезистором (рис.9.10, а). Действие фоторезисторов основывается на внутреннем фотоэффекте (генерации пары «электрон – дырка» в освещенном полупроводниковом материале).

 

Сила тока фоторезистора прямо пропорциональна освещенности и приложенному напряжению. При отсутствии освещенности через прибор проходит небольшой ток, создаваемый свободными носителями заряда. При наличии светового потока возникает световой ток. Разница между этими двумя токами называется фототоком. Сопротивление фоторезисторов находится в пределах от 10 кОм до 1 МОм.

 

Фотодиоды (рис.9.10, б) имеют структуру обычного диода. Освещают, как правило, только одну область (р или n).

При освещении фотодиода генерируются дырки n – области, они переходят в область р. Если к фотодиоду не подключать источник тока и облучать светом его р – n, то в нем генерируются дополнительные носители заряда. И если фотодиод подключить к нагрузке, то через нее потечет ток. В этом случае фотодиод является источником ЭДС (фотоэлектродвижущей силой). Такой р – n переход называют фотоэлементом. При подключении фотоэлементов друг к другу получают фотобатареи (солнечные батареи).

 

Фототранзисторы (рис.9.10, в) имеют два вывода от эмиттера и коллектора. При облучении светом базы происходит открытие транзистора. Фототранзистор чувствительнее фотодиода, так как обладает свойствами усилителя.

В зависимости от используемого полупроводникового материала излучение бывает в разных диапазонах инфракрасного и видимого света.

 

ЭТО ВАЖНО. Оптроны - это полупроводниковые приборы, сочетающие в общем корпусе светоизлучающего и фотоприемного приборов. Связь между ними осуществляется только световым потоком.

Главным достоинством оптопар является отсутствие электрической связи между управляющей и управляемой цепью.

В зависимости от вида используемого прибора оптроны бывают разными: диодными (рис.9.11, а), транзисторными (рис.9.11, б), тиристорными (рис.9.11, в).

 

 

Фотоэлементы являются «глазами» многих автоматических устройств. Наиболее часто используют их в схемах включения и отключения уличного освещения: при достаточном солнечном освещении от фотоэлемента проходит ток, который после усиления отключает питание осветительных ламп. Такие схемы работают с большим запаздыванием, чтобы не было срабатывания под действием кратковременных изменений освещенности (молния, тень от грозовой тучи и др.).

Широкое распространение фотоэлементы получили в системах охраны и сигнализации. Солнечные батареи являются источником тока калькуляторов, измерительных приборов, радиоприемников и т.д.