Опис схеми дослідження випрямляча

Робота 2. Дослідження напівпровідникових діодів

Мета роботи

Ознайомитись з властивостями напівпровідникових діодів та їх використанням у системах випрямляння змінного струму.

Теоретичні відомості

Елементною базою сучасної електроніки є напівпровідникові прилади і напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Всі вони виконуються на основі напівпровідників, тому важливо розуміти механізми їх провідності.

Напівпровідниками називають клас матеріалів, які за своєю електропровідністю (10²...10^-8 см/ м) займають проміжне місце між металами і діелектриками. Характерним для напівпровідників є збільшення електропровідності при зростанні температури. Ширина забороненої зони в напівпровідниках не перевищує 3 еВ.

Типовими напівпровідниками є кремній, германій і селен. До напівпровідників належать також деякі сполуки типу арсенід галію, карбіт кремнію, сульфід кадмію і інші.

Кремній і германій належать до четвертої групи елементів таблиці Менделєєва і мають кристалічну структуру. Атоми елементів розташовані у вузлах кристалічної решітки. Зв’язок між сусідніми атомами здійснюється двома усуспільненими електронами (по одному від кожного атома). Такий зв’язок називають двовалентним або ковалентним (рис.2.1,а).

б) в) а)

Рис.2.1.Сктруктура напівпровідникового кремнію: а - чистого

б - з донорною домішкою, в - з акцепторною домішкою.

Під дією зовнішніх факторів (температури, опромінення і інших) деякі електрони одержують енергію, достатню для звільнення від ковалентного зв’язку, і можуть служити носіями струму. При переході електрона в зону провідності на його місці залишається нескомпенсований додатний заряд, який називають діркою. На вакантне місце дірки може перескочити валентний електрон з іншого атома, тоді дірка виникає в ньому. Це еквівалентно переміщенню додатного заряду з величиною, рівною заряду електрона. Процес утворення пари електрон-дірка називають генерацією носіїв, а зворотний - рекомбінацією. Енергія, яка вивільняється при рекомбінації електрона і дірки, може випромінюватись у вигляді -квантів або передаватися коливанням гратки.

Провідність чистих (бездомішкових) напівпровідників називається власною. Вона складається з електронної провідності (провідності n-типу), зумовленої впорядкованим рухом вільних електронів, і діркової провідності (провідності р-типу), яка зв’язана з направленим переміщенням дірок. В основі направленого переміщення дірок під дією зовнішнього електричного поля лежать “перескоки” електронів від атома до атома проти напрямку поля. Цей рух відбувається з меншою швидкістю, ніж рух вільних електронів, тому рухомість дірок менша.

Концентрація дірок і електронів у чистому напівпровіднику однакова. Добитись переважаючої провідності р- чи n-типу можна шляхом легування чистого напівпровідника, тобто введенням домішок атомів з іншою валентністю. Провідність легованих напівпровідників називають домішковою. Напівпровідники з переважаючою електронною провідністю називаються напівпровідниками n-типу. Електронна провідність зумовлюється домішками елементів п’ятої групи таблиці Менделєєва, які називають донорними. Механізм виникнення провідності n-типу пояснюється тим, що при заміщенні атома кремнію у вузлі решітки на п’ятиелементний атом домішки, наприклад, атом миш’яку , чотири валентні електрони домішки вступають в ковалентні зв’язки, а п’ятий надлишковий залишається вільним (рис.2.1,б). Якщо на місце атома напівпровідника помістити атом елемента з третьої групи, наприклад, атом індію , то три його валентні електрони вступлять у ковалентний зв’язок, а в одному місці залишиться дірка (рис.2.1,в). Домішки, які спричиняють провідність р-типу, називають акцепторними, а напівпровідники з таким типом домішок - напівпровідниками р-типу.

У більшості напівпровідникових приладів використовуються властивості електронно-діркового переходу. Електронно-дірковим переходом називають вузьку (декілька мікронів) область, збіднену вільними носіями, яка виникає на межі областей з різним типом провідності. Виникнення р-n переходу зумовлено градієнтом концентрації носіїв в приграничних областях (рис.2.2,а). В результаті дифузії електрони з n-області переходять в р-область, що призводить появу нескомпенсованих додатних зарядів атомів донорної домішки в n-області та від’ємних зарядів у р-області. Аналогічно, перехід дірок з р-області в n-область викликає появу від’ємних зарядів атомів акцепторної домішки в р-області і додатних зарядів в n-області. Таким чином, на границі областей n- і р-типу виникають два шари об’ємних нерухомих зарядів - подвійний запірний шар. Електричне поле, яке створюють заряди запірного шару, протидіє подальшому руху носіїв через перехід. При цьому встановлюється динамічна рівновага: частина носіїв покидає перехід, а їх місце займає така ж кількість інших носіїв.

а) б)

Рис.2.2.Структура p-n-переходу (а) та розподіл

електричного поля і потенціалу (б).

Розподіл електричного поля і потенціальна діаграма p-n-переходу приведені на рис.2.1, б. Перепад потенціалів, рівний контактній різниці потенціалів, називають потенціальним бар’єром, так як він перешкоджує руху основних носіїв. Разом з тим поле переходу є прискорюючим для неосновних носіїв: дірок з n-області і електронів з р-області. Концентрації неосновних носіїв невеликі.

Електронно-дірковий перехід отримують в пластинках кристалічного напівпровідника методом вплавлення відповідних домішок або їх дифузії при високих температурах.

Властивості p-n переходу залежать від величини і знаку зовнішнього прикладеного поля. Розрізняють пряме і обернене ввімкнення переходу. При прямому ввімкненні (прямому зміщенні) переходу позитивний полюс джерела живлення під’єднують до р-області, а негативний - до n-області напівпровідника (рис.2.3, а) У цьому стані зовнішнє поле направлено проти внутрішнього поля переходу, тому потенціальний бар’єр знижується і основні носії отримують можливість вільно рухатись через перехід, створюючи прямий струм. Зі збільшенням прямої напруги прямий струм швидко зростає, так як концентрація основних носіїв велика і може перевершити максимально допустиме значення. У відкритому стані спад напруги на p-n переході невеликий і складає 0.6...0.8 V.

а) б)

Рис.2.3. Пряме (а) і зворотне (б) ввімкнення переходу.

При оберненому включенні (оберненому зміщенні) p-n-переходу поле, створене джерелом живлення, співпадає з полем переходу (рис.2.3, б). Потенціальний бар’єр між р- і n-областями зростає. Під дією зовнішнього поля основні носії відтягуються від приконтактних шарів і ширина p-n-переходу збільшується. При оберненій напрузі зміщення перехід закривається і рух основних носіїв практично припиняється, при цьому перехід залишається відкритим для неосновних носіїв. Рухаючись через перехід, неосновні носії створюють невеликий зворотний струм. Відзначимо також, що рух неосновних носіїв через перехід приводить до зниження потенціального бар’єру. При зростанні зворотної напруги зворотний струм швидко досягає насичення і майже не змінюється. Коли зворотна напруга досягає критичного значення, розпочинаються процеси іонізації, що призводить до різкого зростання зворотного струму - наступає електричний пробій. Електричний пробій може перейти у тепловий (незворотний), при якому перехід руйнується.

Властивості p-n переходу при прикладенні зовнішньої напруги визначаються його вольт амперною характеристикою (рис.2.4.)

З вольт амперної характеристики видно, що p-n перехід має вентильні властивості, тобто пропускає електричний струм лише в одному напрямку. Крім цього, у закритому стані p-n- перехід володіє електричною ємністю. Його можна розглядати як своєрідний плоский конденсатор, де діелектриком є область закритого p-n-переходу. В сильно легованих напівпровідниках в області p-n-переходу виникає квантово-механічний тунельний ефект, який полягає у тому, що електрони можуть проходити потенціальний бар’єр без втрати енергії. При цьому на прямій вітці вольт амперної характеристики спостерігається ділянка з від’ємним диференціальним опором.

Рис.2.4. Вольт амперна характеристика p-n переходу.

Властивості електронно-діркового переходу використовуються в напівпровідникових діодах. Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n-переходом і двома зовнішніми виводами. Серед напівпровідникових діодів найбільш поширені випрямні діоди, призначені для роботи у випрямлячах змінного струму.

Випрямляч - це пристрій для перетворення змінного струму у постійний. Випрямлячі є вторинним джерелом постійного струму. Як правило, випрямляч складається з силового трансформатора, електричних вентилів, згладжуючого фільтра і стабілізатора.

Трансформатор служить для приведення величини змінної напруги до потрібного значення, та здійснює гальванічну розв’язку між електричною мережею і навантаженням (первинна і вторинна обмотки трансформатора не з’єднані електрично). Випрямляння змінного струму здійснюється за допомогою електричних вентилів, з’єднаних за певною схемою. У ролі вентилів переважно використовують напівпровідникові випрямні діоди. Згладжуючі фільтри призначені для зменшення пульсацій випрямленої напруги. Стабілізатори повинні підтримувати задане значення постійної напруги при коливаннях напруги у мережі змінного струму і при зміні навантаження.

Основними характеристиками випрямлячів є:

- номінальна напруга і частота мережі живлення і

- середні значення випрямлених струму і напруги ;

- споживна потужність ;

- коефіцієнт корисної дії ;

- коефіцієнт пульсації .

Коефіцієнт пульсації - відношення амплітуди першої (основної) гармоніки змінної складової випрямленої напруги до її постійної складової

Випрямлячі поділяються на одно- і трифазні, одно- і двопівперіодні, керовані і некеровані та з множенням напруги.

Схема однофазного однопівперіодного випрямляча без фільтра приведена на рис 2.5, а.

а) б)

Рис.2.5. Схема однопівперіодного випрямляча (а)

і часові діаграми напруг і струмів (б).

У цій схемі струм через діод і навантаження проходить лише на протязі однієї половини періоду, коли до анода діода напруга прикладена додатним потенціалом по відношенню до катода. В інший півперіод діод закритий і струм через навантаження не протікає. Постійна складова випрямленої напруги рівна її середньому значенню за період

Як бачимо з підрахунку, постійна складова випрямленої напруги при однопівперіодичному випрямленні є значно меша за величину діючого значення напруги на вторинній обмотці , тобто трансформатор використовується малоефективно. Випрямлений струм у навантаженні сильно пульсує. Коефіцієнт пульсацій можна отримати, використавши розкладання випрямленої напруги в ряд Фур’є :

Для роботи в однопівперіодному випрямлячі потрібно підбирати діоди з максимально допустимим середнім прямим струмом не меншим за середнє значення випрямленого струму У закритому стані вся напруга вторинної обмотки прикладається до діода, тому максимально допустима зворотна напруга діода повинна бути більшою за амплітудне значення напруги вторинної обмотки , або задовільняти умові . Однопівперіодні випрямлячі використовуються для живлення малопотужних високоомних електричних кіл.

Двопівперіодні схеми випрямляння бувають двох типів : з виводом середньої точки вторинної обмотки силового трансформатора і мостові. Схема з виводом середньої точки по суті є комбінацією двох однопівперіодних випрямлячів, які працюють на спільне навантаження (рис.2.6, а)

Рис.2.6.Схема двопівперіодного двофазного

випрямляча (а) і часові діаграми напруг і струмів (б).

Напруги і на половинах вторинної обмотки одинакові по величині, але зсунуті по фазі на кут , тому їх можна розглядати як двофазну напругу (рис.2.6, б). Діоди відкриваються почергово. Якщо на протязі першого півперіоду струм протікає через діод і навантаження , то у наступний - через діод і навантаження . Таким чином, струм у навантаженні протікає на протязі обох півперіодів і в одному й тому ж напрямку. Недоліком випрямляча з відводом від середньої точки трансформатора є те, що максимально допустима зворотна напруга діодів повинна бути у два рази більша, ніж амплітуда напруги на половині обмотки трансформатора.

Найчастіше для живлення електронних пристроїв використовується двопівперіодна мостова схема випрямляння (рис.2.7, а).

В схему входить трансформатор і чотири діоди, включені у вигляді електричного моста. До однієї діагоналі моста під’єднана вторинна обмотка трансформатора, а до другої - навантаження . В один з півперіодів, коли додатний потенціал на верхньому кінці обмотки, струм проходить через діод , навантаження , діод і до другого кінця обмотки. У наступний півперіод, коли знак напруги поміняються на зворотний, діоди і закриваються. Тоді струм проходить через діод , навантаження і діод . Струми у навантаженні мають однаковий напрям. До кожного діода прикладається зворотна напруга, рівна амплітудному значенню напруги вторинної обмотки.

а) б)

Рис.2.7. Схема двопівперіодного мостового випрямляча (а)

і часові діаграми напруг і струмів (б).

Для обох двопівперіодних схем максимально допустимий прямий струм діодів у два рази менший за постійну складову випрямленого струму Постійна складова випрямленої напруги близька до діючого значення напруги вторинної обмотки . Розкладання у ряд Фур’є імпульсів напруги при двопівперіодному випрямленні приводить до виразу

Звідси коефіцієнт пульсації . Він значно менший, ніж при однопівперіодному випрямленні . Крім того, основна гармоніка має частоту пульсацій у два рази більшу, ніж частота напруги живлення, що спрощує згладжування пульсацій.

При живленні електронних пристроїв коефіцієнт пульсації напруги не повинен перевищувати 10^-4...10^-7. Для зменшення пульсації (змінної складової випрямленої напруги) між випрямлячем і навантаженням вмикають згладжуючі фільтри. Основним показником якості роботи фільтра є коефіцієнт згладжування, рівний відношенню коефіцієнтів пульсацій на вході і виході фільтра

Згладжуючі фільтри бувають прості (індуктивні та ємнісні), складні (одно- та багатоланкові) і електронні (транзисторні). Згладжуючі властивості конденсатора і індуктивності пояснюються різною величиною опору цих елементів для змінних і постійних складових струму. Найпростішим фільтром можна вважати конденсатор великої ємності, приєднаний паралельно до навантаження. Конденсатор запасає електричну енергію, коли діоди випрямляча відкриваються, і віддає у навантаження, коли вони закриваються, що призводить до зменшення пульсацій.

Програма роботи

1.Зібрати схему дослідження випрямляча.

2.Зняти осцилограми напруг.

3.Зняти навантажувальну характеристику випрямляча.

4.Визначити коефіцієнти пульсацій випрямляча без фільтра і з фільтром та коефіцієнт згладжування випрямляча.

5.Визначити вплив ємності С на коефіцієнт пульсації при .

Опис схеми дослідження випрямляча

Рис.2.8.Схема дослідження випрямляча.

На схемі резистор 1 кОм; конденсатор електролітичний 220 мкФ, 16 V;блок діодів КЦ405Б; тумблер; прилад Ц43101; прилад Ц43342 ; прилад Ф4372.

В роботі досліджується двопівперіодна мостова схема випрямляння, зібрана на основі випрямляючого блоку діодів . Випрямляч працює без трансформатора, змінна напруга подається з блока живлення комплекту. Навантаженням випрямляча служить резистор . Зміна навантаження здійснюється паралельним під’єднанням резисторів. Конденсатор згладжує пульсації випрямленого струму. Конденсатр вмикається у схему при включенні вимикача .

Поиск по сайту: