P-n-переход и его свойства

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – Ge (германий) и Si (кремний).

Чистые полупроводники кристаллизуются в виде решетки, рис. 65, а. Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов, и атом находится в состоянии равновесия. Чтобы «вырвать» электрон в зону проводимости, необходимо затратить большую энергию.

Чистые полупроводники обладают высоким удельным сопротивлением (от 0,65 Ом×м до 10⁸ Ом×м). Для снижения высокого удельного сопротивления чистых полупроводников в них вводят примеси, такой процесс называется легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы – легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Элементы III группы имеют три валентных электрона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном, рис. 65, б. Такие полупроводники обладают дырочной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место незанятое электроном, которому присваивается положительный заряд. Такие полупроводники также называются полупроводниками p-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался недостаток электронов, называется акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных электронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним, рис. 65, в. Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются электроны. Они называются полупроводниками n-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался избыток электронов, называется донорной.

Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей. При концентрации примесей 10²⁰ ¸ 10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 5×10^-6 Ом×м для германия и 5×10^-5 Ом×м для кремния.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, которыйназывают p-n-переходом (область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность).

На практике p-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа.

Схематически образование p-n-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности показано на рис. 66. До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки, ионы были распределены равномерно, рис. 66, а.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким удельным сопротивлением, - так называемый запирающий слой рис. 66, б. Толщина запирающего слоя l обычно не превышает нескольких микрометров.

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов Δj_к на границе полупроводников, рис. 67. Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью E_зап, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В тоже время электроны могут свободно двигаться из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, как и дырки из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (дрейфовый ток I_др) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов. Появляется диффузионный ток I_диф, который направлен навстречу дрейфовому току I_др, то есть возникает динамическое равновесие, при котором I_др= I_диф.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение U_обр, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап, рис. 68, а, то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным I_обр, а p-n-переход – закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения, рис. 68, б внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление p-n-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым I_пр, а p-n-переход – открытым.

На рис. 69 показана вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Пробой p-n-перехода связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. В таких полупроводниках возможно возникновение эффекта Зенера, когда при достижении критической напряженности электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон – дырка, и существенно возрастает обратный ток p-n-перехода.

для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Рис. 69. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает p-n-переход.

В сильнолегированных полупроводниках может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что при очень малой толщине запирающего слоя основные носители могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках.

Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя.

Свойства p-n-перехода широко используются в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный p-n переход.

По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды разделяются на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды представляют собой p-n-переход с двумя металлическими контактами, присоединенными к p- и n- областям. В точечном диоде вместо плоской используется конструкция, состоящая из пластины полупроводника и металлического проводника в виде острия. При сплавлении острия с пластиной образуется микропереход. По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точечном в прямом направлении очень мало, ток в обратном направлении значительно меняется в зависимости от напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлектродной емкостью.

Рассмотрим некоторые группы полупроводниковых диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод используется для выпрямления переменного тока.

Типичная вольт-амперная характеристика выпрямительного диода подобна характеристике, представленной на рис. 69. Основным свойством выпрямительного диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает вентильные свойства выпрямительного диода, т.е. способность пропускать ток преимущественно в одном (прямом) направлении. Электрические параметры выпрямительного диода: прямое напряжение U_пр, которое нормируется при определенном прямом токе I_пр; максимально допустимый прямой ток I_пр_max; максимально допустимое обратное напряжение U_обр_max; обратный ток I_обр, который нормируется при определенном обратном напряжении U_обр; межэлектродная емкость, сопротивление постоянному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 70.

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст.

Рис. 70. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U_ст; динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д=dU_ст/dI_ст; минимальный ток стабилизации I_ст_min; максимальный ток стабилизации I_ст_max; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации ТК U=(dU_ст/dТ)× 100.

Стабилитроны используются для стабилизации и ограничения напряжения, а также в качестве источника опорного (эталонного) напряжения в прецизионной измерительной технике.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через p-n-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрицательного сопротивления, т. е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока (пунктирная линия на рис. 69).

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Фотодиод – полупроводниковый диод, в котором в результате освещения p-n-перехода повышается обратный ток.

Светодиод - полупроводниковый диод, в котором в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных районах земного шара. светодиоды находят применение для индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах.

Условные графические обозначения рассмотренных полупроводниковых диодов представлены на рис. 71.

Рис.71 Условные графические обозначения полупроводниковых диодов: а – вентильного диода; б – стабилитрона; в – туннельного диода; г – варикапа; д – фотодиода; е - светодиода

Биполярные транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, служащий для усиления мощности электрических сигналов. Кроме усиления транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Различают два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков – отрицательных и положительных (электронов и дырок). Термин же транзистор происходит от английских слов transfer – переносить и resistor – сопротивление, т.е. в них происходит изменение сопротивления под действием управляющего сигнала.

На рис. 72 показана структура такого транзистора и его обозначение на схемах.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа «p» и «n», между которыми образуются два p-n перехода. В соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяют на два типа: p-n-p, рис. 72, а и n-p-n, рис. 72, б. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Эмиттер и коллектор соединяют с крайними областями (слоями), имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают таким образом, чтобы на переход эмиттер – база было подано напряжение в прямом направлении, а на переход база – коллектор в обратном направлении.

По диапазонам используемых частот транзисторы делятся на низкочастотные (до 3МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). По мощности транзисторы делятся на малой мощности (до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт), большой мощности (свыше 1,5Вт).

При подключении эмиттера транзистора типа p-n-p к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток I_э рис. 73. Стрелкой указано движение носителей заряда. Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Так как напряжение питания коллектора во много раз (приблизительно в 20 раз) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, то электрическое сопротивление цепи базы получается высоким и ток, ответвляющийся в цепь базы I_б, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток I_к.

причем где a - коэффициент передачи тока, практически a @ 0,95¸0,995.

Рис. 73. Принцип действия биполярного транзистора

Ток коллектора I_к превосходит ток базы I_б от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Действительно, если подавать напряжение сигнала в цепь базы, то в соответствии с напряжением сигнала будет изменяться сопротивление p-n -перехода между эмиттером и базой. Это изменяющееся сопротивление включено в коллекторную цепь, что приведет к соответствующему изменению тока коллектора, который во много раз больше тока базы.

Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз бóльшая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип действия транзистора типа n-p-n точно такой же, как у рассмотренного выше транзистора p-n-р.

Вольт-амперные характеристики транзистора отличаются в зависимости от схемы его включения: с общим эмиттером (ОЭ), собщей базой(ОБ) или с общим коллектором (ОК,), рис. 74.

а

Рис. 74. схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором

Различают следующие основные вольт-амперные характеристики транзистора:

1. Входная - зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении

2. Семейство выходных характеристик - зависимость выходного тока от выходного напряжения при разных (фиксированных) значениях входного тока

На рис. 75 представлены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.75. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора с общим эмиттером: входная (а) и семейство выходных (б)

В наиболее распространенных транзисторах небольшой мощности ток базы составляет десятки или сотни микроампер, напряжение на базе изменяется от нуля до нескольких десятых долей вольта. Коллекторный ток на выходных характеристиках транзисторов небольшой мощности изменяется от нуля до единиц или десятков миллиампер, напряжение на коллекторе – от нуля до одного-двух десятков вольт.

Полевые транзисторы

Полевым называют транзистор, управляемый электрическим полем, или транзистор с управляемым каналом для тока.

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и поэтому требуют очень малых мощностей для управления.

Ток в полевом транзисторе создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), вследствие чего эти транзисторы часто называют униполярными.

Носители заряда в полевом транзисторе являются основными для активной области и его параметры не зависят от времени жизни неосновных носителей (как у биполярных транзисторов). Это и определяет высокие частотные свойства и меньшую зависимость от температуры.

Изготавливают полевые транзисторы из кремния. В зависимости от электропроводности исходного материала различают транзисторыс p - и n - каналом.

Каналом считают центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который основные носители уходят из канала, – стоком С. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором З.

Полевые транзисторы подразделяются на два основных типа: с затвором в виде p-n-перехода и с изолированным затвором.

Структурная схема; схема включения и схемное изображение полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода показаны на рис. 76.

Полевой транзистор представляет собой пластину, например, n- типа, на верхней и нижней гранях которой создаются области с проводимостью противоположного типа, например, p- типа. Эти области электрически связаны, образуя единый электрод-затвор. Область с n- проводимостью, расположенная между p- областями; образует токовый канал. На торцевые поверхности пластины наносят контакты, образующие два других электрода И иС, к которым подключается источник питания U_с и при необходимости сопротивление нагрузки. Между каналом и затвором создаются два p-n- перехода. Ток протекает от истока к стоку по каналу, сечение которого зависит от затвора.

При увеличении отрицательного потенциала на затворе p-n-

переходы запираются и расширяются практически за счет канала, сечение канала, а, следовательно, и его проводимость, уменьшаются, ток через канал падает, рис. 77, а. При некотором U_з = U_зо, называемом напряжением отсечки, области p-n- переходов смыкаются по всей длине канала, сток и исток оказываются изолированными друг от друга, ток I_с равен нулю.

Если при U_з = const увеличивать U_с, то ток через канал (I_с) возрастет рис. 77, б. При этом увеличивается падение напряжения на канале, которое способствует увеличению обратного напряжения на p-n- переходах, вызывая тем самым сужение канала. При некотором U_с = U_нас, называемом напряжением насыщения, канал настолько сужается, что дальнейшее увеличение U_с не увеличивает I_с.

Полевые транзисторы с изолированным затвором или МДП-транзисторы находят более широкое применение, так как имеют более простую конструкцию и обладают лучшими электрическими свойствами.

У МДП-транзисторов (металл – диэлектрик – полупроводник) между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой диэлектрика.

Принцип работы МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Они управляются напряжением и имеют чрезвычайно большое входное сопротивление и в отличие от полевых транзисторов с затвором в виде p-n- перехода сохраняют его большим независимо от величины и полярности входного напряжения. Применяются две конструкции МДП-транзисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

УМДП-транзисторов со встроенным каналом в полупроводниковой пластине (подложке), например, n -типа, в процессе изготовления в приповерхностном слое создаются области, например p- типа, образующие электроды стока и истока (рис. 78, а). Перемычка между С и И с проводимостью p- типа является каналом для протекания тока стока I_с даже при отсутствии управляющего напряжения U_з = 0 на затворе.

При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле выталкивает основные носители (дырки) из канала, его сопротивление растет, а I_с падает.

Такой режим носит название “режима обеднения”. При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле притягивает дырки из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается, I_с растет (“режим обогащения”). Передаточная характеристика МДП-транзистора показана на рис. 78, б. Его стоковые характеристики I_с = f(U_с) при U_з = const по виду аналогичны характеристикам транзистора с затвором p-n- типа (рис. 77, б). Схемные изображения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типов представлены на рис. 78, в.

УМДП-транзисторов с индуцированным каналом последний заранее не создается, и в транзисторах, использующих пластину с проводимостью, например, n- типа, при U_з > 0 и U_з = 0 ток I_с = 0 (рис. 79, а, б).

Образование канала в таких приборах происходит при подаче на затвор только отрицательного напряжения (U_з < 0). Тогда в результате вытеснения из поверхностного слоя электронов и подтягивания дырок из n- пластины происходит образование между стоком и истоком инверсного слоя полупроводника с проводимостью, аналогичной проводимости С и И, в данном случае p- типа, и, чем более отрицательным будет напряжение на затворе, тем больший I _сбудет в канале. Передаточная характеристика такого транзистора показана на рис. 79, б. Стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичны характеристикам транзистора с затвором в виде p-n- перехода (рис. 77, б). Схемные изображения МДП-транзисторов с индуцированным каналом n- и p- типов представлены на рис. 79, в.

Основные характеристики полевых транзисторов:

крутизна характеристики передачи

S = dI_с / dU_з при U_с= const;

дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения

R_вых = dU_с/ dI_с при U_з = const.

Полевые транзисторы используются в усилителях, а также находят применение в качестве сенсорных датчиков, в устройствах для обнаружения скрытой проводки.

источники вторичного электропитания

Электростанции вырабатывают электрическую энергию переменного тока частотой 50 Гц. Это объясняется необходимостью передачи энергии на большие расстояния по высоковольтным линиям с использованием трансформаторов напряжения. На практике же возникает необходимость применения постоянного тока: в первую очередь это относится к устройствам электроники, питание которых осуществляется напряжением постоянного тока.

Для преобразования переменного тока в постоянный служат электронные выпрямители, относящиеся к источникам вторичного электропитания. В состав электронного выпрямителя входят: трансформатор, преобразующий напряжение сети до необходимого значения; диоды, осуществляющие выпрямление тока; сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации выпрямленного напряжения; стабилизатор, поддерживающий неизменным напряжение на нагрузке. В зависимости от назначения выпрямителя и предъявляемых к нему требований некоторые из перечисленных узлов могут отсутствовать.

В электронике наибольшее распространение получили однополупериодный и двухполупериодный выпрямители.

Однополупериодный выпрямитель

Работа однополупериодного выпрямителя, рис. 80 рассматривается в предположении, что диод – идеальный, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико. u ₁ и u ₂ – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора; R_н – сопротивление нагрузки.

На временных диаграммах токов и напряжений, рис. 80: t – время; I ₀ и U ₀ – средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного тока и напряжения.

В течение первого полупериода напряжения u ₂, когда положительный потенциал приложен к аноду диода, он открыт и через нагрузочное сопротивление R_н пойдет ток i_н = i_д; при этом все напряжение окажется приложенным к R_н (u_н = u ₂). Во второй полупериод полярность напряжения u ₂ на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную и диод окажется включенным в обратном направлении, ток прекратится и все напряжение u ₂ окажется приложенным к закрытому диоду.

Максимальное значение обратного напряжения где U ₂ – действующее значение напряжения.

Из временных диаграмм видно, что ток i_н и напряжение u_н имеют пульсирующий характер и значительно отличаются от постоянных. Для однополупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения:

Для характеристики степени пульсации выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации

где U_m_гарм – амплитуда наибольшей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока; U ₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения; для однополупериодного выпрямителя К_пульс = 1,57.

I ₀

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного тока и напряжения. Поэтому значительно большее распространение получили двухполупериодные выпрямители, в которых выпрямленное напряжение создается в оба полупериода напряжения сети.

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Большее распространение получил мостовой выпрямитель, рис. 81. В один из полупериодов напряжения сети (u ₁), когда верхний зажим вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к нижнему зажиму, диоды 1 и 3 открыты, а диоды 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через диод 1 (ток i ₁), нагрузочный резистор R_н, диод 3 (ток i ₃) к нижнему зажиму обмотки трансформатора.

другой полупериод, когда верхний зажим имеет

В отрицательный полупериод напряжения u₂ диоды 1 и 3 закрыты, а диоды 2 и 4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через диод 2 (ток i ₂), нагрузочный резистор R_н, диод 4 (ток i ₄) к верхнему зажиму обмотки трансформатора. При этом в течение всего периода ток i_н через резистор R_н и напряжение на нем имеют одно и то же направление.

Для рассматриваемого двухполупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения:

где U_m_гарм – амплитуда наибольшей гармоники, которая для двухполупериодного выпрямителя имеет частоту вдвое бóльшую, чем частота питающей сети.

По сравнению с однополупериодным, мостовой выпрямитель более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения у него в 2 раза больше, а пульсации значительно меньше.

Коэффициент пульсаций напряжения К_пульс, питающего электронную аппаратуру, должен составлять доли процента. Двухполупериодный выпрямитель создает пульсирующее напряжение с К_пульс = 0,67. Поэтому для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами. Различают емкостные, индуктивные, комбинированные (Г-образные, П-образные ) фильтры.

Сглаживающие фильтры

Емкостной фильтр

На схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 82,а) емкостной фильтр выполнен в виде конденсатора С_ф включенного параллельно нагрузочному резистору R_н. Конденсатор С_ф заряжается через диод до амплитудного значения напряжения u ₂ в моменты времени, когда напряжение u ₂ на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на конденсаторе. Когда напряжение u_с > u ₂, диод закрыт и конденсатор разряжается через нагрузочное сопротивление R_н с постоянной времени t_разр = R_нС_ф.

Как показывает временнáя диаграмма на рис. 82, б, при разряде С_ф напряжение u_н не уменьшается до нуля во вторую половину периода, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямителем без фильтра. Аналогично работает емкостный фильтр в двухполупериодном выпрямителе, с той лишь разницей, что коэффициент пульсаций получается меньшим.

Емкость конденсатора С_ф выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение t_разр = R_нС_ф > 5 Т. Здесь Т = 1 / f_осн – период основной, наибольшей гармоники пульсирующего напряжения.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром может быть снижен до 10^-2. Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором, т.е. при малых токах нагрузки. При этом мощность Р_н не должна быть больше нескольких десятков ватт.

Индуктивный фильтр

Действие индуктивного фильтра L_ф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности постоянному току мало, а сопротивление переменному току X_L = wL может быть сделано большим. Поэтому при включении L_ф последовательно с активным сопротивлением нагрузки R_н (рис. 83) падение напряжения на R_н от переменной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

Г-образный и П-образный фильтры

Для более значительного уменьшения пульсаций применяют комбинированные Г-образные или П-образные фильтры (рис. 84).

В маломощных выпрямителях с целью уменьшения массы, габаритов и стоимости фильтра катушку L_ф часто заменяют резистором R_ф.

Для характеристики эффективности действия сглаживающего фильтра вводится коэффициент сглаживания

где q₁ и q₂ - коэффициент пульсации на нагрузке при отсутствии и наличии фильтра, соответственно.

Если Г-образный или П-образный сглаживающие фильтры из отдельных звеньев не позволяют уменьшить пульсации до необходимого уровня, то применяют соединенные последовательно многозвенные фильтры. Общий коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров, из которых он состоит. В настоящее время используются электронные фильтры, в которых вместо индуктивностей включают транзисторы.

Внешние характеристики выпрямителя

Внешней или нагрузочной характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузке U_н от тока нагрузки I_н

Характер этой зависимости можно уяснить из рис. 85.

Выпрямитель можно рассматривать как источник напряжения постоянного тока с некоторой эквивалентной ЭДС, равной напряжению холостого хода U_хх, (напряжению на выходе выпрямителя при токе нагрузки I_н = 0) и внутренним сопротивлением R_вн.

Из эквивалентной схемы следует, что

Выражение показывает, что с ростом выпрямленного тока I_н падение напряжения на R_вн увеличивается, и напряжение U_н на нагрузке уменьшается. Сопротивление диодов в прямом направлении зависит от тока, поэтому внешняя характеристика I_н = f(U_н) является нелинейной. Однако при малом сопротивлении цепи выпрямителя эта нелинейность может быть слабо выражена.

стабилизаторЫ напряжения постоянного тока

Напряжение источников питания электронной аппаратуры может изменяться при колебаниях напряжения сети переменного тока, а также при изменении силы тока, потребляемого аппаратурой. Для нормальной работы электронной аппаратуры в ряде случаев требуются напряжения питания более стабильные, чем могут обеспечить обычные источники напряжения постоянного тока. Повышение устойчивости питающего напряжения достигается применением стабилизаторов напряжения.

Стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные.

Основным параметром, характеризующим качество работы стабилизатора напряжения, является коэффициент стабилизации

где DU_вх, DU_вых – приращения входного и выходного напряжений; U_вх, U_вых – номинальные значения входного и выходного напряжений.

Наиболее простым стабилизатором напряжения является параметрический.

Схема стабилизатора, рис. 86, а содержит стабилитрон, включенный в обратном направлении, балластное сопротивление R_б и сопротивление нагрузки R_н. На рис. 86, б показана вольт-амперная характеристика стабилитрона, включенного в обратном направлении. При малых входных напряжениях (U_вх) напряжение на стабилитроне (U_ст) будет также малым, ток стабилитрона (I_ст) ничтожно мал, так что можно считать стабилитрон как бы отключенным от схемы. При этом I_вх = I_н и напряжения на резисторах R_б и R_н будут распределяться пропорционально их сопротивлениям, а зависимость U_вых = f(U_вх) будет приблизительно прямо пропорциональной. Когда входное напряжение возрастет настолько, что напряжение на стабилитроне достигнет величины пробоя, ток через стабилитрон резко возрастет. Это приведет к большому падению напряжения на балластном сопротивлении R_б, а выходное напряжение U_вых = U_ст, при изменении входного напряжения в определенных пределах, будет оставаться почти неизменным. Сказанное иллюстрируется основной характеристикой параметрического стабилизатора, показанной на рис. 86, в

U_вых = f(U_вх).

Величина балластного сопротивления R_б зависит от пределов изменения входного напряжения, тока нагрузки (I_н) и параметров стабилизатора (I_ст._min и I_ст._max). Предельные значения определяются из выражения

Для получения большего значения коэффициента стабилизации целесообразно выбрать значение R_б ближе к R_б_max. При выборе сопротивления R_б необходимо, чтобы оно удовлетворяло требованию рассеивания максимальной мощности, определяемой выражением

При найденном значении R_б коэффициент стабилизации

где r_д = DU_ст / DI_ст – динамическое сопротивление (сопротивление переменному току) стабилитрона, приводимое в справочниках по полупроводниковым приборам.

Компенсационные стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых за счет отрицательной обратной связи обеспечивается неизменность напряжения на нагрузке с большой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы выполняются на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении.

Электронные усилители

Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и мощности электрических сигналов.

При этом наиболее важным является усиление мощности, так как усиление напряжения (без усиления мощности) можно получить просто с помощью трансформатора. Следует подчеркнуть, что мощность сигналов в электронных усилителях усиливается за счет энергии источников питания.

Электронный усилитель является наиболее распространенным электронным устройством. Он непосредственно используется в проводной связи, в звуковом кино, в автоматике для усиления сигналов датчиков, измерения электрических и неэлектрических величин, в управляющих и регулирующих устройствах, а также в аппаратуре геологической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и многих других случаях. Кроме того, электронные усилители применяют в других электронных устройствах: электронных генераторах, преобразователях формы и частоты сигналов и др.

Усилители можно подразделить на ряд типов по различным признакам. Наиболее часто их классифицируют по диапазонам частот усиливаемых сигналов.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления напряжения постоянного тока или медленно изменяющихся сигналов. Их используют для усиления сигналов различных датчиков, называемых также первичными преобразователями.

Усилители звуковых частот (УЗЧ) предназначены для усиления электрических сигналов в звуковом диапазоне частот (от 20 Гц до 20 кГц). Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для усиления сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.

Избирательные, или селективные (резонансные), усилители усиливают сигналы в сравнительно узкой полосе частот. Наиболее часто их используют в радиоэлектронной аппаратуре, в частности для усиления высокочастотных колебаний в радиоприемниках, сокращенно их обозначают УВЧ-усилители высокой частоты.

Широкополосные усилители предназначены для усиления широкого спектра частот (от десятков герц до нескольких мегагерц) и используются, например, в телевизионных приемниках.