Обратный и прямой ток: 1.2. Полупроводниковые диоды

прямой и обратный, их схемы

P-N переход — точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа — как анодная часть.

Схема P-N перехода

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области. Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение. Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Прямой P-N переход

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод — отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Прямой P-N переход

Обратный P-N переход

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный — на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

Обратный P-N переход

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

принцип действия и основные параметры

Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

• Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
• Второй определяет подкласс,
• Третий обозначает рабочие возможности,
• Четвертый является порядковым номером разработки,
• Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

• Наибольшее значение среднего прямого тока,
• Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
• Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

• Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
• Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
• Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

• Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
• Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

• Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи,
• Период установки прямого напряжения,
• Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

Напряжение прямой обратной и нулевой последовательности

Автор На чтение 14 мин. Опубликовано 12.12.2019

В высоковольтных сетях из-за каких-либо повреждений может нарушаться нормальная работа электроустановок. Достаточно частое повреждение – замыкание на землю, при котором возникает угроза как человеческой жизни за счет растекания потенциала, так и оборудованию за счет нарушения симметрии в сети. Чтобы предотвратить возможные последствия от таких повреждений на подстанциях и в других устройствах применяют токовую защиту нулевой последовательности (ТЗНП).

Что такое нулевая последовательность?

Преимущественное большинство сетей получают питание по трехфазной системе. Которая характеризуется тем, что напряжение каждой фазы смещено на 120º.

Рис. 1. Форма напряжения в трехфазной сети

Как видите из рисунка 1 на диаграмме б) показана работа сбалансированной симметричной системы. При этом если выполнить геометрическое сложение представленных векторов, то в нулевой точке результат сложения будет равен нулю. Это означает, что в системах 110, 10 и 6 кВ, для которых характерно заземление нейтралей трансформаторов, при нормальных условиях работы, какой-либо ток в нейтрали будет отсутствовать. Также следует отметить, что геометрически смена фаз может подразделяется на такие виды:

• прямой последовательности, при которой их чередование выглядит как A – B – C;
• обратной последовательности, при которой чередование будет C – B – A;
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига будет составлять 120º.

Рис. 2. Прямая, обратная и нулевая последовательность

Посмотрите на рисунок 2, здесь нулевая последовательность, в отличии от двух других, показывает, что векторы имеют одно и то же направление, но их смещение в пространстве между собой равно 0º. Подобная ситуация происходит при однофазном кз, при этом токи двух оставшихся фаз устремляются в нулевую точку. Также эту ситуацию можно наблюдать и при междуфазных кз, когда две из них, помимо нахлеста, попадают еще и на землю, а в нуле будет протекать ток лишь одной фазы.

При возникновении трехфазных кз в нейтрали обмоток ток не будет протекать, несмотря на аварию. Потому что токи и напряжения нулевой последовательности по-прежнему будут отсутствовать. Несмотря на то, что фазные напряжения и токи в этой ситуации могут в разы возрасти, в сравнении с номинальными.

Принцип работы ТЗНП

Практически все релейные защиты, действие которых отстраивается от появления токов нулевой последовательности, имеют схожий принцип. Рассмотрите вариант такой схемы, демонстрирующей действие защиты.

Принципиальная схема простейшей ТЗНП

Здесь представлен вариант включения реле тока Т, которое подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), собранных в звезду. В данной ситуации нулевой провод от звезды обмоток трансформаторов отфильтровывает составляющие нулевой последовательности, в случае их возникновения. При условии, что система работает симметрично, обмотки реле Т будут обесточенными. А при условии, что в одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это, из-за чего по нулевому проводу потечет ток. Это и будет та самая составляющая нулевой последовательности, из-за которой произойдет возбуждение обмотки реле Т.

После чего происходит выдержка времени, определяемая параметрами реле В. При истечении установленного промежутка времени токовая защита посылает сигнал на соответствующую коммутационную установку У. Которая и производит отключение трехфазной сети. Более сложные варианты схемы могут включать и реле мощности, которое позволяет отлаживать работу защиты по направлению.

В случае междуфазных повреждений симметрия не нарушиться, а лишь измениться величина токов. А ТТ будут продолжать компенсировать токи, стекающиеся в нулевой провод. Преимущество такой схемы заключается в том, что при максимальных рабочих токах, все равно не будет срабатывать защита, поскольку будет сохраняться симметрия.

Но при существенном отличии в магнитных параметрах измерительных трансформаторов, произойдет дисбаланс в системе, и по нулевому проводнику будет протекать ток небаланса. Что может обуславливать ложные срабатывания токовой защиты даже в тех сетях, где соблюдается номинальный режим питания.

Правила подборки трансформаторов тока.

С целью снижения небаланса, влияющего на правильность срабатывания токовой защиты, подбирают такие ТТ, у которых вторичные токи не создадут перетоков. Для чего они должны соответствовать таким требованиям:

• Обладать идентичными кривыми гистерезиса;
• Одинаковая нагрузка вторичных цепей;
• Погрешность на границе участков сети не должна превышать 10%.

К их вторичным цепям запрещено подключать еще какую-либо нагрузку, приводящую к искажению кривой намагничивания хотя бы в одном ТТ. Поэтому на практике при возникновении токов срабатывания от симметричной системы рекомендуют подвергать замене не один и не два, а все три трансформатора одновременно.

Область применения

Токовая защита, способная отреагировать на появление нулевой последовательности, нашла достаточно широкое применение в линиях с заземленной нейтралью. Так как в них токи коротких замыканий достигают наибольших величин. А вот при изолированной нейтрали ее установка нецелесообразна, поэтому ТЗНП в них не используют. Сегодня установки ТЗНП находят широкое применение:

• на шинах районных подстанций для защиты силового оборудования;
• в распределительных устройствах трансформаторных, переключающих и комплектных подстанций;
• в токовых цепях крупных промышленных объектов с трехфазным силовым оборудованием.

Выбор уставок для ТЗНП

Для обеспечения ступенчатого принципа вывода линии, токовая защита, контролирующая появление нулевой последовательности в цепях, должна соответствовать селективности срабатывания. Здесь под селективностью понимается последовательное отключение определенных участков цепи, в зависимости от их значимости, с целью определения места повреждения или выделения поврежденного промежутка. Для этого выбираются соответствующие уставки срабатывания по времени для защиты. Рассмотрите пример выбора уставок на такой схеме.

Пример выбора уставок

Как видите, ТЗНП в данном случае отстраивается по тому же принципу, что и максимальная токовая защита, но с меньшей величиной выдержки времени. В этом примере каждая последующая ступень защиты выдерживает временную задержку на промежуток Δt больше, чем предыдущая. То есть время срабатывания первой токовой отсечки, в сравнении со второй будет рассчитываться по формуле: t1 = t2+ Δt. А время срабатывания второй по отношению к третей будет составлять t2 = t3+ Δt. Таким образом каждое последующее реле выполняет функцию резервной защиты.

Если обмотки преобразовательных устройств включаются по системе звезда – треугольник, а также звезда – звезда, ТЗНП первичных и вторичных цепей не совпадают. Из-за того, что замыкание в линиях высокого напряжения не обязательно вызовет появление составляющих нулевой последовательности в низких обмотках и питаемой ими цепи. Так как селективность ТЗНП для каждой из них должна выстраиваться независимо, на практике должна обеспечиваться их независимая работа.

Такая система ступенчатых защит позволяет минимизировать дальнейший переход повреждения на другие участки сети и силовое оборудование. А также помогает вывести из-под угрозы персонал, обслуживающий эти устройства. Главное требование к токовой защите – предотвращение ложных коммутаций по отношению к соответствующей зоне срабатывания.

Практическая реализация ТЗНП

Сегодня токовая защита, реагирующая на возникновение нулевой последовательности, может реализовываться микропроцессорными установками и посредством реле. В большинстве случаев устаревшие реле повсеместно заменяются на более новые версии токовой защиты. Но, помимо ТЗНП настраиваются в работу дистанционные, дифференциальные защиты и прочие устройства. Чья работа основывается как на симметричных составляющих, так и на других параметрах сети.

Помимо этого, в своем классическом исполнении ТЗНП не имеет возможности определять место повреждения. То есть для нее не имеет значение, в каком месте произошел обрыв. Поэтому для определения направления, в котором ток протекает по направлению к земле, применяют направленную защиту. Такая система отстраивается не только на токах, а и на напряжении, возникающем от нулевой последовательности. Данные величины подаются с трансформаторов напряжения, включенных по системе разомкнутого треугольника.

Схема работы направленной защиты

При замыкании в зоне резервирования токовой защиты к одной из обмоток реле мощности поступает напряжение, а на вторую обмотку поступает ток нулевой последовательности, используемый для токовой защиты. При условии, что вектор мощности направлен в линию, реле мощности разблокирует срабатывание токовой защиты. В противном случае, когда направление мощности указывает, что неисправность произошла на другом участке, реле мощности продолжит блокировать срабатывание токовой защиты.

Сегодня практическая реализация такой защиты выполняется посредством микропроцессорных блоков REL650 или на реле ЭПЗ-1636. Каждый, из которых уже включает в себя и токовую отсечку, и дистанционную защиту, и пусковое реле для возобновления питания.

Ток нулевой последовательности это:

Сумма мгновенных значений токов трех фаз трехфазной системы Система нулевой последовательности существенно отличается от прямой иобратной тем, что отсутствует сдвиг фаз. Нулевая система токов по существу представляет три однофазныхтока, для которых три провода трехфазной цепи представляют прямой провод, а обратным проводом служитземля или четвертый (нулевой), по которому ток возвращается.

Составляющие обратной последовательности (ток, напряжение) возникают при появлении в сети любой не симметрии (обрыв фазы, включение несимметричной нагрузки, однофазное илидвухфазноеКЗ).
Составляющие нулевой последовательности появляются при обрыве одной или двух фаз, однофазном или двухфазном КЗ на землю. ( при межфазных замыканиях без земли, составляющие равны нулю) Ток обратной последовательности, как известно из [22], появляется при любом несимметричном, а кратковременно и при трехфазном КЗ. Ток нулевой последовательности используется для повышения чувствительности пуска ВЧ-передатчика при КЗ на землю, а пусковое реле фазного тока КА – при симметричных КЗ

Практически ток нулевой последовательности получают соединением вторичных обмоток трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности (рис. 7.11). Из схемы видно, что ток в реле КА равен геометрической сумме токов трех фаз:

Ток в реле появляется только при однофазном или двухфазном КЗ на землю. Короткие замыкания между фазами являются симметричными системами, и соответственно этому ток в реле Iр=0 .

Зёх фазный ток – это когда фазы а,в,с отстоют друг от друга на 120градусов. Когда три фазы повёрнуты в 1 сторону – ток нулевой последовательности. Такое возникает при однофазных замыканиях на землю в сетях с заземлённой нейтралью. Поэтому применяются ТЗНП – токовые защиты нулевой последовательности для защиты от замыканий на землю – появился ток нулевой последовательности, значит есть замыкание на землю, защита срабатывает. . Токи обратной последовательности – это когда нарушен порядок чередования фаз. Возникают при межфазных замыканиях, для зашиты применяю ТЗОП – токовые защиты обратной последовательности. В двух словах так. Составляющие обратной последовательности (ток, напряжение) возникают при появлении в сети любой не симметрии (обрыв фазы, включение несимметричной нагрузки, однофазное или двухфазное КЗ).

Составляющие нулевой последовательности появляются при обрыве одной или двух фаз, однофазном или двухфазном КЗ на землю. ( при межфазных замыканиях без земли, составляющие равны нулю) Токи нулевой последовательности по существу являются однофазным током, разветвленным между тремя фазами и возвращающимся через землю и параллельные ей цепи. В силу этого, путь циркуляции токов нулевой последовательности резко отличен от пути, по которому проходят токи прямой или обратной последовательности Для практической реализации метода симметричных составляющих необходимо составлять три схемы замещения: прямой, обратной и нулевой последовательностей. Конфигурация этих схем и параметры их элементов в общем случае не одинаковы.

Схема прямой последовательности является той же, что и для расчета тока трехфазного замыкания. Из этой схемы находят результирующую ЭДС и результирующее сопротивление прямой последовательности: и . Началом этой схемы являются точки нулевого потенциала источников питания, концом – место короткого замыкания, к которой приложено напряжение прямой последовательности . Составляющие обратной последовательности возникают при появлении в сети любой несимметрии: однофазного или двухфазного короткого замыкания, обрыва фазы, несимметрии нагрузки.

Составляющие нулевой последовательности имеют место при замыканиях на землю (одно- и двухфазных) или при обрыве одной или двух фаз. В случае междуфазного замыкания составляющие нулевой последовательности(токи и напряжения) равны нулю.

Этот метод используют многие устройства РЗиА. В частности, принцип работы трансформатора тока нулевой последовательности основан на сложении значений тока во всех трех фазах защищаемого участка. В нормальном(симметричном) режиме сумма значений фазных токов равна нулю. В случае возникновения однофазного замыкания, в сети появятся токи нулевой последовательности и сумма значений токов в трех фазах будет отлична от нуля, что зафиксирует измерительный прибор (например, амперметр), подключенный ко вторичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности.

Для трехфазных транспозированых ЛЭП результат этого преобразования — точная матрица собственных векторов (матрица модального преобразования) [1] . Она одинакова как для тока, так и для напряжения.

Система трехфазных напряжений в нормальном режиме работы является симметричной. Но, стоит произойти короткому замыканию, как симметрия нарушается. Для удобства распознавания видов КЗ и проведения расчетов применяется метод симметричных составляющих. Согласно ему любую трехфазную систему с момента КЗ можно, для удобства расчетов, представить в виде суммы напряжений трех симметричных систем:

• прямой последовательности;
• обратной последовательности;
• нулевой последовательности.

Все они являются мнимыми величинами, не существующими на самом деле. Но с помощью некоторых ухищрений их можно сделать реально осязаемыми, и применить на практике.

Устройства, выделяющие из системы трехфазных напряжений напряжение нужной последовательности, называют фильтрами. Рассмотрим одно из таких устройств, применяемое на практике для фиксации замыканий на землю.

Назначение дополнительных обмоток ТН

Особенностью напряжения нулевой последовательности (3Uo) является тот факт, что оно не появляется в результате междуфазных замыканий, а является только следствием КЗ на землю. Причем, не важно, где происходит замыкание: в электроустановке с изолированной или глухозаземленной нейтралью.

Фильтром для выделения этой величины являются специальные обмотки трансформаторов напряжения (ТН).

Этот процесс происходит по-разному в зависимости от конструкции трансформаторов. Если используются три одинаковых ТН, у каждого из них имеется специальная обмотка, выводы которой обозначены буквами «Ад» и «Хд». Эти обмотки соединяются между собой последовательно, с обязательным соблюдением направления. Провод от вывода «Хд» фазы «А» идет на вывод «Ад» фазы «В» и так далее. Такая схема включения называется разомкнутым треугольником.

В итоге на оставшихся разомкнутыми выводах «Ад» первой фазы и «Хд» последней в любого случае повреждения в сети, связанного с замыканием на землю, появится 3Uo. Можно его измерить, а также использовать для работы сигнализации, подключив к обмотке реле напряжения. Можно использовать и для работы защит, но об этом – немного позднее.

В трансформаторах напряжения, объединяющих обмотки трех фаз в одном корпусе, не требуется выполнять внешние соединения для фильтра 3Uo. Все уже выполнено заранее, внутри корпуса трансформатора.

Если в предыдущем случае выделение 3Uo происходит путем последовательного сложения векторов напряжений за счет коммутации проводников, то внутри трехфазного ТН это происходит за счет сложения магнитных потоков в сердечнике. Поэтому, в зависимости от его формы, внутренняя схема соединений обмоток Ад-Хд может отличаться.

Но сути это не меняет: в итоге на корпусе рядом с выводами основных обмоток, использующихся для учета, измерения и защиты, появляется выводы от объединенной дополнительной обмотки 3Uo. Обозначается она точно так же, как и на однофазных ТН.

Интересное видео о ТЗНП смотрите ниже:

Сигнализация о замыкании на землю

В сетях 6-10 кВ, где нейтраль изолирована, работа с «землей» возможна некоторое время. Но замыкание нужно активно искать. И чем раньше начнется поиск, тем лучше.

Для контроля изоляции используются вольтметры, подключенные к обмоткам ТН на фазные напряжения.

В сети без повреждений все они показывают одинаковую величину. Стоит случиться однофазному замыканию, как показания вольтметра поврежденной фазы снизятся. Вольтметр покажет ноль при полном устойчивом КЗ. Так определяется фаза с повреждением.

Но, чтобы взглянуть на вольтметры, нужно сгенерировать предупредительный сигнал.

Для этого используется контроль величины 3Uo с помощью реле.

При его срабатывании зажигается табло, привлекающее к себе внимание.

Величину 3Uo принято регистрировать с помощью самопишущих приборов, а также она обязательно записывается аварийными осциллографами или микропроцессорными терминалами в момент любой аварии, даже не связанной с замыканиями на землю.

Еще один пример применения сигнализации, работающей от 3Uo, связан с эксплуатацией установок компенсации емкостных токов.

Отключать разъединитель дугогасящей катушки запрещено при наличии «земли» в сети. Для этого рядом с коммутационным устройством устанавливается индикаторная лампа, либо блок-замок рукоятки блокируется при наличии 3Uo системой автоматики.

Использование 3Uo в составе защит

В сетях с изолированной нейтралью совместное использование напряжений и токов нулевой последовательности позволяет определить направление на точку короткого замыкания. Но в настоящее время существуют более эффективные методы точного определения места повреждения в этих сетях.

Гораздо большую пользу подобная схема приносит в сетях в глухозаземленной нейтралью (ЛЭП-110 кВ и выше).

Подключение напряжения 3Uo (нулевой последовательности) и тока 3Io к обмоткам реле направления мощности позволяет определить, произошло ли однофазное КЗ в линии или вне ее. Так обеспечивается селективность работы защиты от однофазных замыканий на землю.

Прямое и обратное смещение p-n-перехода

Рассмотрим явления, происходящие в
диоде, к которому приложена разность
потенциалов от внешнего источника
напряжения.

Смещение, при котором плюс источника
подсоединен к n-области, а минус — к
p-области называется обратным (см.
рис. 3).

Рис. 3. Обратное смещение на p-n-переходе.

Внешнее поле Е_внвызывает дрейф
основных носителей заряда в направлениях,
указанных стрелками на рис. 3. Таким
образом, вся масса электронов n-области
и дырок p-области отходит от p-n-перехода,
обнажая при этом новые слои ионизированных
доноров и акцепторов, т. е. расширяя
область объемного заряда до размера d₀+Δd.

Принято считать приложенное напряжение
V при обратном смещении отрицательным,
а вольт-амперную характеристику
p-n-перехода называют обратной ветвью
ВАХ.

При прямомсмещении (плюс источника
напряжение подсоединяется к p-области,
а минус — к n-области) возникающее в
объеме n- иp-областей
электрическое поле вызывает приток
основных носителей к области объемного
заряда p-n-перехода. Контактная разность
потенциалов при этом уменьшается до
значения V_k–V. При
этом заряды, созданные внешним источником
напряжения на омических контактах,
оказываются перенесенными на границы
области объемного заряда и она сужается
до размеров d₀–Δd(см. рис. 4).

Рис. 4. Прямое смещение на p-n-переходе.

Прямой и обратный токи p-n-перехода

При обратном смещении на p-n-переходе
ток основных носителей заряда, сдерживаемый
возросшим потенциальным барьером,
уменьшается. Увеличение обратного
смещения приведет к дальнейшему росту
потенциального барьера и, в конце концов,
ток основных носителей заряда через
p-n-переход станет равным нулю.

В этом случае на вольт-амперной
характеристике будет наблюдаться лишь
обратный ток неосновных носителей,
попавших в область объемного заряда за
счет дрейфа.

Прямое смещение понижает потенциальный
барьер для основных носителей заряда,
что приводит к росту прямого диффузионного
тока. Основные носители заряда, гонимые
градиентом концентрации, устремляются
через понизившийся потенциальный барьер
и прямой диффузионный ток через
p-n-переход, в этом случае, значительно
превысит обратный ток дрейфа неосновных
носителей заряда.

Таким образом, подача внешнего смещения
на p-n-переход выводит его из состояния
динамического равновесия.

Простроим вольт-амперную характеристику
p-n-перехода (см. рис. 5).

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода.

Как видно из рис. 5., при достаточно
больших обратных смещениях возникает
резкое увеличение обратного тока. Это
связано с явлением пробоя p-n-перехода.

Пробой p-n-перехода

В зависимости от характеристик физических
процессов, обуславливающих резкое
возрастание обратного тока, различают
четыре основных типа пробоя: туннельный,
лавинный, тепловой и поверхностный.

Тепловой пробой.

При протекании обратного тока в
p-n-переходе выделяется теплота и его
температура повышается. Увеличение
температуры определяется качеством
теплоотвода. Увеличение температуры
вызывает увеличение обратного тока,
что, в свою очередь, приводит к новому
росту температуры и обратного тока и
т. д. Ток начинает нарастать лавинообразно
и наступает тепловой пробой p-n-перехода.

Лавинный пробой.

В достаточно широких p-n-переходах при
высоких обратных смещениях неосновные
носители могут приобретать в поле
перехода настолько большую кинетическую
энергию, что оказываются способными
вызвать ударную ионизацию полупроводника.
В результате ударной ионизации могут
образовываться дополнительные носители
заряда (электрон-дырочные пары),
растаскиваемые полем объемного заряда
в направлении тока дрейфа (обратного
тока). Дополнительные носители также
могут вызвать ударную ионизацию, что
приведет к образованию лавинного пробоя
и резкому увеличению обратного тока.

Диоды, предназначенные для работы в
таком режиме, называют стабилитронами.
Их изготавливают из кремния, так как
кремниевые диоды имеют весьма крутую
ветвь ВАХ в области пробоя и в широком
диапазоне рабочих токов у них не возникает
теплового пробоя.

Туннельный пробой.

При приложении к p-n-переходу достаточно
высокого обратного смещения возможен
прямой туннельный переход электронов
из валентной зоны p-области в зону
проводимости n-области. С увеличением
обратного смещения толщина барьера
уменьшается (речь идет именно о
потенциальном барьере на пути электронов
из валентной зоны p-области в зону
проводимости n-области, а не о ширине
области объемного заряда). Если p-n-переход
достаточно тонок, то при невысоких
значениях обратного смещения можно
наблюдать туннелирование электронов
через p-n-переход и его пробой.

Поверхностный пробой.

Заряд, локализующийся на поверхности
полупроводника в месте выхода p-n-перехода,
может вызвать сильное изменение
напряженности поля в переходе и его
ширины. В этом случае более вероятным
может отказаться пробой поверхностной
области p-n-перехода.

Метод симметричных составляющих (Лекция №19)

Метод симметричных составляющих относится к специальным методам расчета трехфазных
цепей и широко применяется для анализа несимметричных режимов их работы, в том
числе с нестатической нагрузкой. В основе метода лежит представление несимметричной
трехфазной системы переменных (ЭДС, токов, напряжений и т.п.) в виде суммы трех
симметричных систем, которые называют симметричными составляющими. Различают
симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей,
которые различаются порядком чередования фаз.

Симметричную систему прямой последовательности образуют (см. рис. 1,а) три
одинаковых по модулю вектора и со сдвигом друг по отношению к
другу на рад., причем отстает от , а — от .

Введя, оператор поворота , для симметричной системы прямой
последовательности можно записать

.

Симметричная система обратной последовательности образована равными по модулю
векторами и с относительным сдвигом по фазе
на рад., причем теперь отстает от , а — от (см. рис. 1,б). Для этой системы
имеем

.

Система нулевой последовательности состоит из трех векторов, одинаковых по модулю и фазе (см. рис. 1,в):

.

При сложении трех указанных систем векторов получается несимметричная система
векторов (см. рис. 2).

Любая несимметричная система однозначно раскладывается на симметричные составляющие.
Действительно,

;

(1)

;

(2)

.

(3)

Таким образом, получена система из трех уравнений относительно трех неизвестных
, которые, следовательно, определяются
однозначно. Для нахождения сложим уравнения (1)…(3). Тогда,
учитывая, что , получим

.

(4)

Для нахождения умножим (2) на , а (3) – на , после чего полученные выражения
сложим с (1). В результате приходим к соотношению

.

(5)

Для определения с соотношением (1) складываем
уравнения (2) и (3), предварительно умноженные соответственно на и . В результате имеем:

.

(6)

Формулы (1)…(6) справедливы для любой системы векторов , в том числе и для симметричной.
В последнем случае .

В заключение раздела отметим, что помимо вычисления симметричные составляющие
могут быть измерены с помощью специальных фильтров симметричных составляющих,
используемых в устройствах релейной защиты и автоматики.

Свойства симметричных составляющих токов
и напряжений различных последовательностей

Рассмотрим четырехпроводную систему на рис. 3. Для тока в нейтральном проводе имеем

.

Тогда с учетом (4)

,

(7)

т.е. ток в нейтральном проводе равен утроенному току нулевой последовательности.

Если нейтрального провода нет, то и соответственно нет составляющих
тока нулевой последовательности.

Поскольку сумма линейных напряжений равна нулю, то в соответствии с (4) линейные
напряжения не содержат составляющих нулевой последовательности.

Рассмотрим трехпроводную несимметричную систему на рис. 4.

Здесь

Тогда, просуммировав эти соотношения, для симметричных составляющих нулевой
последовательности фазных напряжений можно записать

.

Если система ЭДС генератора симметрична, то из последнего получаем

.

(8)

Из (8) вытекает:

• в фазных напряжениях симметричного приемника отсутствуют симметричные составляющие
  нулевой последовательности;
• симметричные составляющие нулевой последовательности фазных напряжений несимметричного
  приемника определяются величиной напряжения смещения нейтрали;
• фазные напряжения несимметричных приемников, соединенных звездой, при питании
  от одного источника различаются только за счет симметричных составляющих нулевой
  последовательности; симметричные составляющие прямой и обратной последовательностей
  у них одинаковы, поскольку однозначно связаны с соответствующими симметричными
  составляющими линейных напряжений.

При соединении нагрузки в треугольник
фазные токи и могут содержать симметричные составляющие
нулевой последовательности . При этом (см. рис. 5) циркулирует по контуру,
образованному фазами нагрузки.

Сопротивления симметричной трехфазной цепи
для токов различных последовательностей

Если к симметричной цепи приложена симметричная система фазных напряжений прямой
(обратной или нулевой) последовательностей, то в ней возникает симметричная
система токов прямой (обратной или нулевой) последовательности. При использовании
метода симметричных составляющих на практике симметричные составляющие напряжений
связаны с симметричными составляющими токов той же последовательности. Отношение
симметричных составляющих фазных напряжений прямой (обратной или нулевой) последовательности
к соответствующим симметричным составляющим токов называется комплексным
сопротивлением прямой

,

обратной

и нулевой

последовательностей.

Пусть имеем участок цепи на рис. 6. Для фазы А этого участка можно записать

.

(9)

Тогда для симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей с
учетом, того, что , на основании (9) имеем

.

Отсюда комплексные сопротивления прямой и обратной последовательностей одинаковы и равны:

.

Для симметричных составляющих нулевой последовательности с учетом равенства
соотношение (9) трансформируется
в уравнение

,

откуда комплексное сопротивление нулевой последовательности

.

В рассмотренном примере получено равенство сопротивлений прямой и обратной
последовательностей. В общем случае эти сопротивления могут отличаться друг
от друга. Наиболее типичный пример – различие сопротивлений вращающейся машины
для токов прямой и обратной последовательностей за счет многократной разницы
в скольжении ротора относительно вращающегося магнитного поля для этих последовательностей.

Применение метода симметричных составляющих

для симметричных цепей

Расчет цепей методом симметричных составляющих основывается на принципе наложения,
в виду чего метод применим только к линейным цепям. Согласно данному методу
расчет осуществляется в отдельности для составляющих напряжений и токов различных
последовательностей, причем в силу симметрии режимов работы цепи для них он
проводится для одной фазы (фазы А). После этого в соответствии с (1)…(3) определяются
реальные искомые величины. При расчете следует помнить, что, поскольку в симметричном
режиме ток в нейтральном проводе равен нулю, сопротивление нейтрального провода
никак ни влияет на симметричные составляющие токов прямой и обратной последовательностей.
Наоборот, в схему замещения для нулевой последовательности на основании (7)
вводится утроенное значение сопротивления в нейтральном проводе. С учетом вышесказанного
исходной схеме на рис. 7,а соответствуют расчетные однофазные цепи для прямой
и обратной последовательностей (рис. 7,б) и нулевой последовательности (рис.
7,в).

Существенно сложнее обстоит дело при несимметрии сопротивлений по фазам. Пусть
в цепи на рис. 3 . Разложив токи на симметричные
составляющие, для данной цепи можно записать

(10)

В свою очередь

(11)

Подставив в (11) значения соответствующих параметров из (10) после группировки
членов получим

(12)

где ;

Из полученных соотношений видно, что если к несимметричной цепи приложена несимметричная
система напряжений, то каждая из симметричных составляющих токов зависит от
симметричных составляющих напряжений всех последовательностей. Поэтому, если
бы трехфазная цепь на всех участках была несимметрична, рассматриваемый метод
расчета не давал бы преимуществ. На практике система в основном является симметричной,
а несимметрия обычно носит локальный характер. Это обстоятельство, как будет
показано в следующей лекции, значительно упрощает анализ.

На всех участках цепи, где сопротивления по фазам одинаковы, для i¹k. Тогда
из (12) получаем

.

Литература

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил,
   С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические
   цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных
   специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

1. В каких случаях отсутствуют составляющие нулевой последовательности в линейных
   токах?
2. Для каких цепей сопротивления прямой и обратной последовательностей одинаковы,
   а для каких – различны?
3. Для анализа каких цепей возможно применение метода симметричных составляющих?
4. Как при использовании метода симметричных составляющих учитывается сопротивление
   в нейтральном проводе?
5. В чем заключается упрощение расчета цепи при использовании метода симметричных
   составляющих?
6. Определить коэффициент несимметрии линейных напряжений , если , .

Ответ: .

7. До короткого замыкания в фазе А в цепи на рис. 4 был симметричный режим,
   при котором ток в фазе А был равен .
8. Разложить токи на симметричные составляющие.

Ответ: ; .

9. Линейные напряжения на зажимах двигателя и . Определить действующие значения
   токов в фазах двигателя, если его сопротивления прямой и обратной последовательностей
   соответственно равны: ; . Нейтральный провод отсутствует.

Ответ: ; ; .

Зависимость тока от напряжения при обратном включении определяется по формуле

. (4)

Обратный ток почти не зависит от приложенного к p–n-переходу напряжения до определенного предела, после которого он начнет возрастать из-за генерации носителей заряда в области границы разнотипных полупроводников. При увеличении температуры и обратный ток, и прямой ток возрастают, причем обратный ток увеличивается гораздо быстрее прямого тока. При уменьшении температуры существенного снижения токов не происходит.

Изобразим полученные результаты на одном графике (рис. 1.7).

Рис. 1.7

Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р–n- перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток р–n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление последовательно подключенное с p–n-переходом.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой р–n-перехода.

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединяются под названием – электрический пробой, который является обратимым.

В полупроводниках с узким p–n-переходом (что обеспечивается высокой концентрацией примесей) возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затрат энергии (туннелировать через p–n-переход). Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким p–n-переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов p–n-перехода. Носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда «электрон-дырка» тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

К необратимым пробоям относят тепловой и поверхностный пробои.

Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая в p–n-переходе при прохождении через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять p–n-переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев – увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой p–n-перехода.

Распределение напряженности электрического поля в р–n-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

Вентильные свойства электронно-дырочного перехода.

P–n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.

Рассмотрим p–n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения U_вн с полярностью, указанной на рис. 1.8 «+» к области p-типа, «–» к области n-типа (прямое включение).

Тогда напряженность электрического поля внешнего источника Е_вн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера Е и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Е_рез:

Е_рез = Е – Е_вн .

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p–n-перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя d уменьшается (d¢ < d ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.

Рис. 1.8

По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p–n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области.

Введение носителей заряда через p–n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда.

При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области в дырочную – электроны.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; слой, в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда, –базой.

На рис. 1.9изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая прямому смещению p–n-перехода.

Рис. 1.9

При обратном включении p–n-перехода (рис. 1.10) напряженность электрического поля внешнего источника Е_вн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля E потенциального барьера. Высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда ширина запирающего слоя d увеличивается (d¢ > d ), а его сопротивление резко возрастает.

Рис. 1.10

Теперь через р–n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, неосновных носителей, возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р–n-перехода.

На рис. 1.11 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая обратному смещению p–n- перехода.

Рис. 1.11

Выводы:

1. p–n-переход образуется на границе p— и n-областей, созданных в монокристалле полупроводника.

2. В результате диффузии в p–n-переходе возникает электрическое поле — потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.

3. При отсутствии внешнего напряжения U_вн в p–n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p–n-переход становится равным нулю.

4. При прямом смещении p–n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.

5. При обратном смещении p–n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток.

Это говорит о том, что p–n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

Ширина p–n-перехода зависит: от концентраций примеси в p— и n-областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения Uвн. При увеличении концентрации примесей ширина p–n-перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p–n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p–n-перехода увеличивается.

Выпрямительные диоды, стабилитроны: схемы включения, основные характеристики, назначение.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.

Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (p— и n-типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рис. 1.12.

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Рис. 1.12

Выпрямительные диоды также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов.

Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов либо в виде диодных сборок, к примеру, диодных мостов выполненных в едином корпусе.

Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей заряда или, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением

      (5)

и имеет вид, изображенный на рис. 1.13.

Рис. 1.13

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу.

1. Номинальный средний прямой ток I_{пр ср ном}– среднее значение тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.

2. Номинальное среднее прямое напряжение U_{пр ср ном}– среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании номинального среднего прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи.

3. Напряжение отсечки U_о , определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.

4. Пробивное напряжение U_проб – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.

5. Номинальное обратное напряжение U_{обр ном}– рабочее обратное напряжение на диоде. Его значение для отечественных приборов составляет 0,5U_проб . Этот параметр используется для обеспечения последовательного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь.

6. Номинальное значение обратного тока I_{обр ном}– величина обратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения.

7. Статическое сопротивление диода

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Общая электротехника и электроника”, страница 7

то есть дырочная составляющая на 2 порядка больше.

3. Определим напряжение для получения заданной
плотности тока, воспользовавшись уравнением

,    В.

22.        Ток,
текущий видеальном р-n переходе при большом
обратном напряжении и 300К, равен 2*10^-7 А. Определить ток при
прямом напряжении 0,1В.

Решение:

Воспользуемся
зависимостью

так как при большом
обратном напряжении протекает обратный ток насыщения.

При прямом напряжении
0,1В ток

.

23.        Диод
имеет обратный ток насыщения I₀ = 10мкА.
Напряжение, приложенное к диоду, равно 0,5 В. Найти отношение прямого тока к
обратному при 300К.

Решение:

Зависимость тока от
напряжения

,где

I₀
– обратный ток насыщения,

j_Т – температурный потенциал, для 300К он равен
0,025В.

Тогда

24.        Германиевый
полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I₀
= 25мкА, работает при прямом смещении 0,1В и 300К. Определить сопротивление
диода постоянному и переменному току (дифференциальное).

Решение:

Прямой ток диода

где j_Т – температурный потенциал, для
300К он равен 0,025В.

Сопротивление диода
постоянному току

Дифференциальное
сопротивление получим дифференцированием исходного выражения.

или

С учётом того, что I >> I₀ можно считать, что

тогда

в нашем случае это будет

 Ом, то есть упрощенной
формулой можно пользоваться для оценки дифференциального сопротивления
прямосмещённого p-n перехода.
На практике она чаще используется в следующем виде (для 300 К):

 где I берётся в
мА, а результат получается в
Омах.

Тогда  Ом

Из анализа решений можно
сделать также очень важный вывод:

сопротивление
прямосмещённого p-n перехода
переменному току значительно меньше, чем постоянному. Это явление очень часто
используется на практике.

25.     Для
идеального p-n перехода
определить

1). при каком напряжении обратный ток будет
достигать 90% значения обратного тока насыщения при 300 К?

2). отношение тока при прямом напряжении 0,05 В к
току при том же значении обратного напряжения.

Решение:

1). При 300 К температурный потенциал  В.

Из условия задачи обратный ток составит 0,9I₀.

 или

 В (60 мВ) (~ 2j_Т)

2). отношение прямого тока к обратному при
напряжениях  0,05 и -0,05 В:

, то есть примерно в 7 раз
прямой ток больше обратного.

26.     Видеальном
p-n переходе обратный ток
насыщения I₀ = 10^-14 А при     
300 К и I₀ = 10^-9 А при   398 К
(125⁰ С). Определить напряжения на p-n переходе в обоих случаях, если прямой ток равен 1 мА.

Решение:

Из уравнения вольт-амперной характеристики перехода

можно записать

, или

, логарифмируя последнее выражение, получим

Для 300 К j_Т
= kT = 0,86*10^-4*300 = 0,0258 В, а
напряжение

Для 398 К j_Т
= kT = 0,86*10^-4*398 = 0,0342 В и

Такая температурная зависимость характерна для Si диодов.

27.     Определить
во сколько раз увеличивается обратный ток насыщения сплавного p-n перехода, если

1). для Ge диода
температура увеличивается от 20⁰ С до 80⁰ С

2). для Si диода
температура увеличивается от 20⁰ С до 150⁰ С.

Решение:

Зависимость обратного тока от температуры имеет
вид:

где k₁ –
постоянная;

Е_зо = еU_зо
– ширина запрещённой зоны при 0 К;

— температурный
потенциал;

Для    Ge: h = 1; m = 2; U_зо = 0,785 В

Si: h = 2; m = 1,5; U_зо = 1,21 В.

Следовательно, для Ge
обратный ток насыщения

При 80⁰ С, или 353 К, имеем:

 В

тогда

При 20⁰ С, или 293 К, имеем:

 В

и ток

отношение токов для Ge

то есть при повышении температуры с 20⁰
С до 80⁰ С ток в Ge диоде увеличивается
почти в 300 раз.

Для Si диода:

При 150⁰ С, или 433 К, имеем:

 В

и ток

При 20⁰ С или 293 К j_Т = 0,0253 В и ток

отношение токов

то есть для Si диода при
повышении температуры с 20⁰ С до 80⁰ С обратный ток
насыщения увеличится почти в 3000 раз.

Разница между прямым и обратным смещением по сравнительной таблице

Одно из основных различий между прямым и обратным смещением состоит в том, что при прямом смещении положительная клемма батареи подключается к полупроводниковому материалу p-типа , а отрицательная клемма подключается к n- Тип полупроводниковый материал . В то время как при обратном смещении материал n-типа подключается к положительной клемме источника питания, а материал p-типа подключается к отрицательной клемме батареи.Прямое и обратное смещение различаются ниже в сравнительной таблице.

Смещение означает, что к полупроводниковому устройству подключено электрическое питание или разность потенциалов. Разность потенциалов бывает двух типов: прямое смещение и обратное смещение.

Прямое смещение снижает потенциальный барьер диода и обеспечивает легкий путь для прохождения тока. В то время как в обратное смещение разность потенциалов увеличивает силу барьера, который не позволяет носителю заряда перемещаться через переход.Обратное смещение обеспечивает высокий резистивный путь для прохождения тока, и, следовательно, ток не течет через цепь.

Содержание: прямое смещение против обратного смещения

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Прямое смещение	Обратное смещение
Определение	Внешнее напряжение, которое прикладывается к PN-диоду для уменьшения потенциального барьера и образует легкий ток через него, называется прямым смещением.	Внешнее напряжение, которое прикладывается к PN-переходу для усиления потенциального барьера и предотвращения прохождения тока через него, называется обратным смещением.
Символ
Подключение	Положительная клемма батареи подключена к полупроводнику P-типа устройства, а отрицательная клемма подключена к полупроводнику N-типа	Отрицательная клемма батареи подключена к P-области и положительный полюс батареи подключен к полупроводнику N-типа.
Барьерный потенциал	Снижает	Усиление
Напряжение	Напряжение на аноде больше, чем на катоде.	Напряжение на катоде больше, чем на аноде.
Прямой ток	Большой	Маленький
Слой истощения	Тонкий	Толстый
Сопротивление	Низкое	Высокое
Текущий поток	Допускает	Предотвращает
Величина тока	Зависит от прямого напряжения.	Ноль
Эксплуатация	Проводник	Изолятор

Определение прямого смещения

При прямом смещении внешнее напряжение подается на диод PN-перехода. Это напряжение устраняет потенциальный барьер и обеспечивает путь с низким сопротивлением для прохождения тока. Прямое смещение означает, что положительная область подключена к p-клемме источника питания, а отрицательная область подключена к n-типу устройства.

Напряжение потенциального барьера очень мало (около 0,7 В для кремния и 0,3 В для германиевого перехода), поэтому для полного устранения барьера требуется очень небольшое напряжение. Полное устранение барьера составляет путь с низким сопротивлением для прохождения тока. Таким образом, через переход начинает течь ток. Этот ток называется прямым током.

Определение обратного смещения

При обратном смещении отрицательная область подключена к положительной клемме батареи, а положительная область подключена к отрицательной клемме.Обратный потенциал увеличивает силу потенциального барьера. Потенциальный барьер препятствует потоку носителей заряда через переход. Это создает путь с высоким сопротивлением, в котором ток не течет через цепь.

Ключевые различия между прямым и обратным смещением

1. Прямое смещение снижает силу потенциального барьера, из-за чего ток легко проходит через переход, тогда как обратное смещение усиливает потенциальный барьер и препятствует потоку носителей заряда.
2. При прямом смещении положительный полюс батареи подключается к p-области, а отрицательный вывод подключается к материалу n-типа, в то время как при обратном смещении положительный вывод источника питания подключается к материалу n-типа, а отрицательный клемма подключается к материалу p-типа устройства.
3. Прямое смещение создает электрическое поле поперек потенциала, которое снижает силу потенциального барьера, тогда как обратное смещение увеличивает силу потенциального барьера.
   • Примечание. Потенциальный барьер — это слой между диодом с PN-переходом, который ограничивает движение электронов через переход.
4. При прямом смещении напряжение на аноде больше, чем на катоде, тогда как при обратном смещении напряжение на катоде больше, чем на аноде.
5. Прямое смещение имеет большой прямой ток, а обратное смещение имеет очень маленький прямой ток.
   • Примечание. Ток в диоде, когда он течет в прямом направлении, называется прямым током.
6. Слой обеднения диода очень тонкий при прямом смещении и толстый при обратном смещении.
   • Примечание. Слой обеднения — это область вокруг перехода, в которой свободные носители заряда истощены.
7. Прямое смещение уменьшает сопротивление диода, тогда как обратное смещение увеличивает сопротивление диода.
8. При прямом смещении ток легко течет по цепи, тогда как обратное смещение не позволяет току проходить через нее.
9. При прямом смещении величина тока зависит от прямого напряжения, тогда как при обратном смещении величина тока очень мала или незначительна.
10. При прямом смещении устройство работает как проводник, тогда как при обратном смещении устройство действует как изолятор.

Прямое напряжение кремниевого диода составляет 0,7 В, а прямое напряжение германия — 0,3 В.

.

прямой ток — Перевод на французском языке — Примеры на английском языке

Ces examples peuvent contenir des mots vulgaires liés à votre recherche

Ces examples peuvent contenir des mots familiers liés à votre recherche

Таким образом, пик прямого тока в транзисторе уменьшается относительно значения, которое произошло бы без защиты.

дает прямое соединение транзистора, подключенное к валу и надежному внешнему виду без защиты.

При записи между подложкой и линией истока, подключенной к халькогениду, протекает прямой ток , а транзистор выбора не используется.

Lors de l’écriture, un courant direct cycle entre le substrat et la ligne de source reliée au chalcogénure, и выбор транзистора не используется.

Эффективность светодиода обычно повышается с прямого тока , предполагая постоянную температуру перехода.

L’efficacité d’une LED monte typiquement avec le courant vers l’avant , presumant la température de jonction constante.

Скорость истирания зависит от материала светодиода, температуры, влажности и прямого тока .

Различные модели светодиодных материалов, температуры, увлажнения и courant vers l’avant .

Источник тока подает прямой ток на схему определения температуры (4).

La source de courant offre un courant direct au circuit de detection de température (4).

диодов прямого тока для 3d ячейки обратной записи и способ их изготовления

диоды на прямых диодов для неизлечимых ячеек 3d на обратных критериях и процессе изготовления диодов

А именно, получается диод Шоттки с хорошим прямым током vs.характеристика напряжения, небольшой обратный ток и отличные выпрямляющие свойства и MESFET, имеющий небольшие отклонения порогового напряжения.

В обязательном порядке указывается, что диод Шоттки демонстрирует хорошие характеристики с прямым сообщением по напряжению, обратный обратный ход и превосходные собственные характеристики исправления, мнимый объект MESFET, представляющий возможные вариации напряженного состояния.

Емкость диодного элемента регулируется изменением прямого тока через диод

Емкость диода модифицируется на переменном уровне Courant Direct traversant la diode

В соответствии с частотой каждый временной цикл содержит по меньшей мере один импульс прямого тока, и по меньшей мере один импульс обратного тока.

Avec cette fréquence, chaque durée de cycle comporte au moins une impulsion de courant direct et au moins une impulsion de courant inverse.

Когда прикладывается прямое смещение, переход электрически изолирован от слоя релаксации поля, чтобы пропускать прямой ток только через переход.

Lors de l’application d’une polarization directe, la jonction is изолированное электрическое кресло-релаксация на фасаде и пропуске courant direct qu’à travers la jonction.

Ток обратного восстановления выводится в зазор между электродом и заготовкой, прерывая подачу прямого тока на диод в момент возникновения электрического разряда.

На четырехступенчатом обратном возмещении в соответствии с картированием, которое было произведено с использованием электрода и элемента питания, используемого в межсервисном питании диода и прямого обращения в момент, когда электрическая зарядка была проверена.

Способ изготовления полупроводникового элемента из карбида кремния, который может обеспечить полупроводниковый элемент из карбида кремния, имеющий высокий прямой ток и низкий обратный ток утечки с помощью простого процесса.

L’invention porte sur un procédé de Fabrication d’un élément à semi-conducteurs au carbure de silicium qui peut fabriquer, grâce à un procédé simple, unlement à semi-conducteurs au carbure de silicium ayant un courant direct et un élev. faible courant de fuite inverse.

Самый простой способ управлять несколькими светодиодами, такими как сегменты отображаемых цифр, — это управлять каждым светодиодом отдельно, каждый с резистором или источником тока, устанавливающим прямой ток .

La manière la plus facile de consistance la LED multiple, telle que des segment de chiffre d’afficheur, est de explorer chaque LED separément, chacune avec une résistance or source courante plaçant le courant vers l’avant .

Благодаря наличию первого конденсатора обеспечивается баланс вольт-второго трансформатора и выравнивание среднего значения прямого тока и обратного тока вторичной обмотки в трансформаторе.

Du fait de la présence du premier конденсатор, вторичная вольт-амперная трансформация и регулировка валовой стоимости courant direct et du courant arrière du bobinage secondaire du transformateur sont garanties.

В устройстве, требующем защиты от электростатического разряда, цепь смещения используется для увеличения диодной цепочки для распределения небольшого, но значительного прямого тока на диоды

dans un appareil nécessitant une protection contre les décharges électrostatiques, un réseau polarisant permet de Compléter la chaîne de dides de façon a distribuer aux diodes une Voltage de courant direct , petite, mais значительно

Параметры диода: пиковое обратное напряжение, максимальный прямой ток , температура, частота, ток утечки, рассеиваемая мощность;

Параметры диодов: напряжение, обратное кристальному, курант прямого, максимальное, температура, частота, курант-де-фуит, диссипация мощности;

Предусмотрено устройство для проверки солнечной батареи путем пропускания прямого тока через солнечную батарею, чтобы вызвать излучение электролюминесценции, и включает простую конструкцию и дешевую темную камеру.

Изобретение относится к устройству для проверки и контроля заряда аккумуляторной батареи и устройства контура , прямого доступа , проходящего через аккумуляторную батарею для проверки его выпуска EL и Qui Comprend une chambre noire de construction simple et bon marché

область, то есть поток неосновных носителей в квазинейтральной части этой области по направлению к основанию, который уменьшает инжекцию тех же носителей из базы в указанную выше часть и тем самым увеличивает усиление прямого тока .

du Transistor, c’est-à-dire dans le flux porteur minoritaire dans la partie pratiquement Neutre de cette région en direction de la base, ce qui réduit unejection des memes porteurs depuis la base vers la partie supérieure et accroît ainsi le gain de курант прямой .

способ включает в себя этап подачи циклов тока к аноду, где каждый цикл тока включает в себя прямой ток , эффективный, по меньшей мере, для частичной зарядки электрода, и обратный ток, эффективный, по меньшей мере, для частичного разряда электрода.

ce procédé consiste à appliquer des cycle de courant sur l’anode, chaque cycle de courant comprenant un courant vers l’avant efficace pour charger au moins partiellement l’électrode, и un courant inverse efficace pour décharger au moins partiellement l’électrode .

ток через каждую светодиодную цепочку может быть изменен в соответствии с системой контроля обратной связи, которая измеряет такие параметры, как характеристики светодиода, прямой ток , температура и выходная интенсивность / цвет светодиода

циркулирующий курант в travers chaque chaîne de DEL peut être modifié selon un système decontrôle à rétroaction qui mesure des paramètres tels que des caractéristiques de DEL, un courant direct , la température, et une couleur de sortie de sortie de

.