Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат , принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.
Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.
Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.
Максимальное обратное напряжение диода - Vr
Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.
Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.
Средний ток диода - If
Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода - средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.
Например для выпрямительного диода 2Д204А максимальный прямой ток составляет всего 0,4А, а для 80EBU04 - целых 80А. Если средний ток окажется длительное время большим по величине, чем приведенное в документации значение, то нет гарантии что диод выживет.
Максимальный импульсный ток диода - Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)
Максимальный импульсный ток диода - это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.
Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.
Средний обратный ток диода - Ir (ток утечки)
Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум - единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.
Среднее прямое напряжение диода - Vf (падение напряжения на переходе)
Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум - единиц вольт.
Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.
Дифференциальное сопротивление диода
Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом. Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.
Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.
Средняя рассеиваемая мощность диода Pd
Средняя рассеиваемая мощность диода - это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.
Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД - полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл - полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода : В основе принципа действия полупроводникового диода - свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном - при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:
Прямое и обратное включение:
При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.
Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.
При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.
Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.
На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).
Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.
Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.
Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода иобратное включение диода .
График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.
График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.
В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.
Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.
Что такое прямое и обратное напряжение? Пытаюсь понять принцип действия полевого транзистора. и получил лучший ответ
Ответ от Вовик[активный]
Прямое - к плюсу прикладывается плюс, к минусу - минус. Обратное - к плюсу - минус, к минусу - плюс.
Применительно к полевому транзистору - между истоком и затвором.
База и эмиттер есть у биполярного транзистора, не у полевого.
Биполярный транзистор представляет собой два встречно включенных р-п перехода с одним общим выходом - эмиттер - база (типа общий) - коллектор, как два диода, только общая "прослойка" тонкая и проводит ток, если подать прямое напряжение, которое называется открывающим, между эмиттером и базой.
Чем больше прямое напряжение между базой и эмиттером, тем больше открыт транзистор и меньше его сопротивление эмиттер-коллектор, т. е. между напряжением эмиттер-база и сопротивлением биполярного транзистора обратная зависимость.
Если между базой и эмиттером подать обратное напряжение, транзистор закроется совсем и не будет проводить ток.
Если подать напряжение только на базу и эмиттер или базу и коллектор, получится обычный диод.
Полевой транзистор устроен несколько по-иному. Там тоже три вывода, но называются сток, исток и затвор. Там только один р-п переход, затвор -> сток-исток или затвор <- сток-исток в зависимости от полярности транзистора. Затвор находится между истоком и стоком и к нему (измеряется относительно истока) всегда прикладывается только обратное напряжение, которое создаёт поле в промежутке между истоком и стоком, в зависимости от напряжённости больше или меньше препятствующее движению электронов (следовательно, изменяя сопротивление транзистора) , и, таким образом, создающую обратную зависимость между напряжением исток-затвор и сопротивлением полевого транзистора.
Ответ от ALEX R
[гуру]
На 1 вопр прям и обр напр бывает у полупроводника (диода) т. е. диод в ппрямом нпр ток пропускает, а ежели ток течёт обратно, всё закрыт. Для ясности нипель велосипедной шины туда дуй, обратно нет. Полевой тр-р, вот чисто для понимания нет злектронной связи между затвором и сток исток, а ток пропускает за счёт зл поля созд на затворе. Вот как то так.
Ответ от Александр Егоров
[гуру]
прямое - минус к области с n-проводимостью, плюс к области к с р-проводимостью
обратное наоборот
подавая только на эмитер и коллектор ток проходить не будет, т. к. ионизированные атомы базы будут отталкивать от pn перехода свободные заряды эмитера (которым итак непросто перескочить pn переход, тк это диэлектрик) . А если подать напряжение на базу, то оно "высосет" из базы свободные заряды и они уже не будут отталкивать заряды эмитера, мешая им пересекать pn переход. Транзистор откроется.
Кстати эмитер, коллектор и базу имеет не полевой, а биполярный транзистор.
Если подать напряжение только на базу и эмитер или базу и коллектор, то это будет простой диод (каждый pn переход это диод).
Ответ от User user
[гуру]
полевой транзистор имеет канал р или n типа управляемый полем. выводы транзистора затвор сток исток
Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.
Принцип работы:
Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:
Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.
Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:
Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.
На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.
Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:
Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:
Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:
Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.
Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.
Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.
Подобный график можно описать следующим образом:
Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.
Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:
Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.
Обычно различается несколько видов:
График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.
Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.
При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:
Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.
Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:
U обр. m ах = 1,045U ср.
В ряде практических приложений для выпрямления переменного тока и плавного регулирования мощности передаваемой в нагрузку используют тиристорные преобразователи. При этом, малые токи управления позволяют управлять большими токами нагрузки.
Пример простейшего управляемого по мощности тиристорного выпрямителя показан на рис. 7.10.
Рис. 7.10. Тиристорная схема выпрямителя
На рис. 7.11 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип регулирования среднего значения выпрямленного напряжения.
Рис. 7.11. Временные диаграммы работы тиристорного выпрямителя
В этой схеме предполагается, что входное напряжение U вх для регулируемого тиристорного формируется, например, двухполупериодным выпрямителем. Если управляющие импульсы U у достаточной амплитуды подаются в начале каждого полупериода (участок о-а на диаграмме U вых), выходное напряжение будет повторять напряжение двухполупериодного выпрямителя. Если сместить управляющие импульсы к середине каждого полупериода, то импульсы на выходе будут иметь длительность, равную четверти полупериода (участок b-с). Дальнейшее смещение управляющим импульсов приведет к дальнейшему уменьшению средней амплитуды выходных импульсов (участок d – e).
Таким образом, подавая на тиристор управляющие импульсы, сдвигающиеся по фазе относительно входного напряжения, можно превратить синусоидальное напряжение (ток) в последовательность импульсов любой длительности, амплитуды и полярности, то есть можно изменять действующее значение напряжения (тока) в широких пределах.
Рассмотренные схемы выпрямления позволяют получать однополярное пульсирующее напряжение, которое не всегда применимо для питания сложных электронных приборов, поскольку, из-за больших пульсаций, приводят к неустойчивости их работы.
Для значительного уменьшения пульсации применяют сглаживающие фильтры. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S, определяемый по формуле S= 1 / 2 , где 1 и 2 – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно. Коэффициент пульсации показывает во сколько раз фильтр уменьшает пульсации. В практических схемах коэффициент пульсаций на выходе фильтра может достигать значений 0,00003.
Основными элементами фильтров являются реактивные элементы – емкости и индуктивности (дроссели). Рассмотрим вначале принцип работы простейшего сглаживающего фильтра, схема которого приведена на рис. 7.12.
Рис. 7.12. Схема простейшего сглаживающего фильтра с однополупериодным выпрямителем
В этой схеме сглаживание напряжения на нагрузке после однополупериодного диодного выпрямителя VD осуществляется с помощью конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке R н.
Временные диаграммы, поясняющие работу такого фильтра, приведены на рис. 7.13. На участке t1 – t2 входным напряжением диод открывается, а конденсатор заряжается. Когда входное напряжение начнет уменьшаться, диод закрывается напряжением, накопленным на конденсаторе U с (участок t1 – t2). На этом интервале источник входного напряжения отключается от конденсатора и нагрузки, и конденсатор разряжается через сопротивления нагрузки R н.
Рис. 7.13. Временные диаграммы работы фильтра с однополупериодным выпрямителем
Если ёмкость достаточно велика, по разряд емкости через R н будет происходить с большой постоянной времени =R н С, и следовательно, уменьшение напряжение на конденсаторе будет небольшим, а эффект сглаживания – значительным. С другой стороны, чем больше емкость тем короче отрезок t1 – t2 в течении которого диод открыт и через него течет ток i возрастающий (при заданном среднем токе нагрузки) при уменьшении разности t2 – t1. Такой режим работы может привести к выходу из строя выпрямительного диода, и, кроме того, является достаточно тяжелым и для трансформатора.
При использовании двухполупериодных выпрямителей величина пульсаций на выходе емкостного фильтра уменьшается, поскольку конденсатор за время между появлением импульсов на меньшую величину, что хорошо иллюстрируется рис. 7.14.
Рис. 7.14. Сглаживание пульсаций двухполупериодного выпрямителя
Для расчета величины пульсаций на выходе емкостного фильтра произведем аппроксимацию пульсаций выходного напряжения пилообразной кривой ток, как это показано на рис. 7.15.
Рис. 7.15. Аппроксимация напряжения пульсаций
Изменение заряда на конденсаторе определяется выражением
∆Q=∆UC=I н Т 1 ,
где Т 1 – период пульсаций, I н – среднее значение тока нагрузки. С учетом того, что I н = И ср / R н, получаем
.
Из рис. 7.15 следует, что
при этом двойная амплитуда пульсаций определяется выражением
.
Сглаживающими свойствами обладают и индуктивные фильтры, причем лучшими сглаживающими свойствами обладают фильтры, содержащие индуктивность и емкость, соединенные так, как показано на рис. 7.16.
Рис. 7.16. Сглаживающий фильтр с индуктивностью и емкостью
В
этой схеме емкость конденсатора
выбирается таким образом, чтобы его
реактивное сопротивление было значительно
меньшим сопротивления нагрузки.
Достоинством такого фильтра является
то, что он уменьшает величину входной
пульсации ∆U
до величины
,
гдеω
- частота пульсаций.
На практике широкое распространение получили различные типы F - образных и П – образных фильтров, варианты построения которых представлены на рис. 7.17.
При небольших токах нагрузки хорошо работает F - образный выпрямитель, представленный на рис. 7.16.
Рис. 7.17. Варианты построения фильтра
В наиболее ответственных схемах используют многозвенные схемы фильтрации (рис. 7.17 г).
Часто дроссель заменяют резисторами, что несколько снижает качество фильтрации, но значительно удешевляет фильтры (рис. 7.17 б, в).
Основной внешней характеристикой выпрямителей с фильтром является зависимость среднего значения выходного напряжения U ср (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока.
В рассмотренных схемах увеличение выходного тока приводит к уменьшению U ср из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.
Наклон внешней характеристики при заданном среднем токе определяют через выходное сопротивление R вых, определяемое по формуле:
I cр – задано. Чем меньше величина R вых, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, тем лучше схема выпрямителя с фильтром. На рис. 7.18 приведены типовые зависимости U ср от I ср для различных вариантов фильтрации.
Рис. 7.18. Типовые зависимости U ср от I ср для различных схем фильтрации
