Устройство полупроводникового диода. Устройство диода полупроводникового

Устройство диода

В электротехнике одним из электронных приборов, получивших широкое применение, является диод. Он оборудован двумя электродами и обладает переменным сопротивлением. Если ток передается в одну сторону, то в этом случае сопротивление будет низким. Когда передача тока производится в противоположную сторону – сопротивление возрастает и становится высоким.

Получается, что в первом случае прохождение тока осуществляется без каких-либо проблем, а во втором случае из-за увеличивающегося сопротивления происходят потери тока и мощности. Кроме того, наблюдается сильный нагрев диода. Чтобы понять как работает диод, необходимо знать хотя-бы в общих чертах его устройство.

Конструкция диода

Диоды разделяются на несколько категорий. Они могут быть газоразрядными, электровакуумными и полупроводниковыми, которые получили наибольшее распространение. Разные диоды используются одновременно в единой связке, благодаря чему становится возможным преобразование переменного тока в постоянный ток. Эти свойства широко используются в полупроводниковых и прочих приборах.

Основными конструктивными элементами полупроводникового диода являются пластинки, изготовленные из специфических полупроводниковых материалов. Чаще всего, для этого используется германий или кремний. На одной стороне пластинки наблюдается проводимость р-типа, при которой осуществляется прием электронов. Эта проводимость называется дырочной. Она призвана заполнить искусственно создаваемый недостаток электронов. Другая сторона пластинки имеет электропроводимость п-типа или электронную, при которой отдаются избыточные электроны.

Между обеими сторонами пластинки существует слой, называемый р-п переходом. Во всех полупроводниках р-тип выступает в качестве анода, а п-тип служит катодом или отрицательным электродом прибора.

Особенности электровакуумных диодов

Электровакуумные диоды получили название ламповых диодов. Если рассматривать устройство диода этого типа, то, прежде всего, это лампа с расположенными внутри двумя электродами. На одном из электродов расположена нить накаливания, которая подогревает его и способствует созданию магнитного поля.

Во время разогрева происходит отделение электронов от катода с последующим их перемещением в сторону анода. Это движение возникает именно из-за образования электрического магнитного поля. При изменении полярности или направлении тока в противоположную сторону, движение электроном прекратится, поскольку в аноде отсутствует нить накаливания. Поэтому, данный вид диодов наиболее часто используется в стабилизаторах и выпрямителях, при наличии высоковольтных составляющих.

Маркировка диодов - https://electric-220.ru/news/markirovka_diodov_sistema_oboznachenij/2014-09-06-688

Как работает диод

electric-220.ru

Устройство полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n - переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура представлены на рис. 2а. Электрод диода, подключенный к области P, называют анодом, а электрод, подключенный к области N - катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n - переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением.

При большом токе через p-n - переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. ВАХ выпрямительного диода имеет вид:

, (5)

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называется последовательным сопротивлением.

Следует отметить, что на показанной статической ВАХ (рис. 2б) масштаб первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего, т.к. обратный ток диода несоизмеримо мал по сравнению с прямым. Поэтому, если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока сольется с осью .

 

2 полупроводниковые выпрямители

Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 3а) является простейшей из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток трансформато­ра равны нулю.

Рис. 3. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (а),

и основные диаграммы (б)

В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VD потенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке и в ней возникнет ток (рис. 3б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет относительно катода отрицательный потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную составляющую в пределах периода, можно найти из следующего равенства (см. рис. 3б):

. (6)

Если напряжение изменяется по синусоидаль­ному закону , то

. (7)

 

Заменив амплитудное значение напряжения его действующим значением ( ), получим:

. (8)

Отсюда:

, (9)

т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное на­пряжение на нагрузке. Постоянную составляющую вы­прямленного тока можно подсчитать по формуле:

. (10)

Обычно значение напряжения , так же как тока, задается при расчете выпрямителя.

Если напряжение сети известно, то коэффици­ент трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения заданного напряжения на нагруз­ке, должен быть равен

. (11)

Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной об­мотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называе­мая обратным напряжением , равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора , т. е.

(12)

Таким образом, максимальное обратное напря­жение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

При проектировании однополупериодных выпря­мителей важно правильно выбрать тип диода, кото­рый удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основании следующих соображений:

· диод должен обладать определенной электрической прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:

, (13)

где - максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.

Если неравенство (13) не выполняется, необходи­мо либо взять диод с более высоким допустимым обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов последовательно.

· Во-вторых, допустимый ток диода должен превы­шать величину . Поэтому необходимо, чтобы

. (14)

Если неравенство (14) не выполняется, то необхо­димо подобрать диод с более высоким значением или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.

Из рис. 3бвидно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды и частоты. Постоянная составляющая , т.е. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, была опре­делена ранее (8). Из переменных составляю­щих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно доказать, что для однополупериодной схемы ампли­туда первой гармоники:

. (15)

Частота первой гармоники равна частоте сети так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.

Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций:

. (16)

Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с учетом (15):

, (16)

т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.

По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая тока нагрузки . Она подмагничивает сердечник трансформатора. В стали трансформатора возникают потери, увеличивается ток холостого хода трансформатора и снижается КПД всего устройства.

Для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали трансформатора приходится увеличивать сече­ние его сердечника. Это увеличивает габариты и массу всего выпрямителя.

Постоянная составляющая тока в отличие от переменных не трансформируется в первичную об­мотку трансформатора, поэтому для определения величины и формы тока в первичной обмотке нужно вычесть из тока вторичной обмотки постоянную составляющую и мгновенные значения тока изме­нить в п раз:

, (17)

или

, (18)

где п - коэффициент трансформации.

Из (10) находится амплитуда тока вторич­ной обмотки , поэтому:

, (19)

 

ток первичной обмотки несинусоидален.

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле:

. (20)

При определении мощности трансформатора не­обходимо учитывать не только постоянные, но и переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность называется габаритной и определяется действующими значениями тока и напряжения:

, (21)

где - габаритные мощности вторичной и первичной обмотки трансформатора.

В однополупериодной схеме выпрямления габа­ритная мощность вторичной обмотки больше, чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки, следовательно, габаритная мощность трансформатора также возрастает. Это является недостатком однополупериодной схемы выпрямления.

Коэффициентом использования трансформатора называется отношение полезной мощности выпрямителя к габаритной мощности трансформатора:

. (22)

Большой коэффициент пульсации, большие разме­ры трансформатора вследствие плохого использова­ния его обмоток, большое обратное напряжение на диод ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на ее простоту.



infopedia.su

Устройство полупроводниковых диодов | Железная лаборатория

Устройство полупроводниковых диодов

Автор Сварщик | 6 апреля 2011

По принципу своего устройства полупроводниковые диоды подразделяются на точечные и плоскостные.Точечный диод состоит из трех основных частей: полупроводника и металлических электродов 2 и 3. Диаметр заостренного конца вольфрамовой проволочки 2 составляет около 1,5-2 мк. В точечных германиевых диодах в результате формовки постоянным током 250 ма в полупроводнике около контакта с металлической проволочкой возникает, область 4 с другим типом электропроводности, чем у полупроводника 1. Электрод 3 предназначен для включения диода во внешнюю цепь. Он имеет значительно большую площадь соприкосновения с полупроводником, чем электрод 2.

Схематическое устройство точечного диода: 1 — полупроводник; 2 — вольфрамовая или платиновая проволочка; 3 — металлический электрод; 4 — область с электропроводностью другого типа, чем у полупроводника; 5 — пленка, обладающая высокой электронной проводимостью.Плоскостной диод состоит из полупроводниковой пластинки, имеющей две области с различными типами проводимости (1 и 5), и двух электродов 2 и 4. Такие диоды изготавливаются обычно методом сплавления. На пластинку германия 1 кладут кусочек индия, являющегося для германия акцепторной примесью, и помещают его в печь с температурой 500-550° С. Так как температура плавления индия составляет 156° С, он расплавляется, смачивает поверхность пластинки и растворяет германий на некоторую глубину. При затвердевании германий захватывает некоторое количество атомов индия, вследствие чего часть германиевой пластинки получает проводимость типа р. В результате создается контакт между двумя полупроводниками, обладающими электропроводностью различного типа. Такие контакты называются п-р-переходами.Второй электрод диода изготавливается из свинца или олова с большой добавкой сурьмы, являющейся для германия донорной примесью. После сплавления вблизи электрода 4 образуется тонкая пленка с более высокой электронной проводимостью, чем у кристалла германия. Поэтому контакт электрода 4 с полупроводником выпрямляющим свойством не обладает.При изготовлении кремниевых диодов в пластинку полупроводника вплавляют алюминий.

загрузка...

Похожие сообщения

• Нет связанных записей.

Полупроводниковые приборы

iron-lab.ru

Устройство полупроводникового диода.

Электроника Устройство полупроводникового диода.

просмотров - 99

Полупроводниковым диодом принято называть прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n ‑ переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура представлены на рис. 2а. Электрод диода, подключенный к области P, называют анодом, а электрод, подключенный к области N ‑ катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. Учитывая зависимость отчастоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n‑ переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением.

При большом токе через p-n‑ переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. ВАХ выпрямительного диода имеет вид:

,

где R ‑ сопротивление объема полупроводникового кристалла, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть последовательным сопротивлением.

Следует отметить, что на показанной статической ВАХ (рис. 2б) масштаб первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего, т.к. обратный ток диода несоизмеримо мал по сравнению с прямым. По этой причине, если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока сольется с осью .

2. полупроводниковые выпрямители

Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 3а) является простейшей из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток трансформатора равны нулю.

а б

Рис. 3. Принципиальная схема однополупериодного

выпрямителя (а), и основные диаграммы (б)

В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VDпотенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке и в ней возникнет ток (рис. 3б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет относительно катода отрицательный потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную составляющую в пределах периода, можно найти из следующего равенства (см. рис. 3б):

.

В случае если напряжение изменяется по синусоидальному закону , то

.

Заменив амплитудное значение напряжения его действующим значением ( ), получим:

. (2)

Отсюда:

,

т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке. Постоянную составляющую выпрямленного тока можно подсчитать по формуле:

. (3)

Обычно значение напряжения , так же как и тока, задается при расчете выпрямителя.

В случае если напряжение сети известно, то коэффициент трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения заданного напряжения на нагрузке, должен быть равен

.

Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной обмотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называемая обратным напряжением , равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора , т. е.

.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, максимальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

При проектировании однополупериодных выпрямителœей важно правильно выбрать тип диода, который удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основании следующих соображений:

· Диод должен обладать определœенной электрической прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:

, (4)

где - максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.

В случае если неравенство (4) не выполняется, крайне важно либо взять диод с более высоким допустимым обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов последовательно.

· Во-вторых, допустимый ток диода должен превышать величину . По этой причине крайне важно, чтобы

. (5)

В случае если неравенство (5) не выполняется, то крайне важно подобрать диод с более высоким значением или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.

Из рис. 3бвидно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды и частоты. Постоянная составляющая , ᴛ.ᴇ. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, была определœена ранее (2). Из переменных составляющих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно доказать, что для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники:

. (6)

Частота первой гармоники равна частоте сети так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.

Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций:

.

Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с учетом (6):

,

т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.

По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая тока нагрузки . Она подмагничивает сердечник трансформатора. В стали трансформатора возникают потери, увеличивается ток холостого хода трансформатора и снижается КПД всœего устройства.

Для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали трансформатора приходится увеличивать сечение его сердечника. Это увеличивает габариты и массу всœего выпрямителя.

Постоянная составляющая тока в отличие от переменных не трансформируется в первичную обмотку трансформатора, в связи с этим для определœения величины и формы тока в первичной обмотке нужно вычесть из тока вторичной обмотки постоянную составляющую и мгновенные значения тока изменить в праз:

,

или

,

где п ‑ коэффициент трансформации.

Из (3) находится амплитуда тока вторичной обмотки , в связи с этим:

,

ток первичной обмотки несинусоидален.

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле:

.

При определœении мощности трансформатора крайне важно учитывать не только постоянные, но и переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность принято называть габаритной и определяется действующими значениями тока и напряжения:

,

где ‑ габаритные мощности вторичной и первичной обмотки трансформатора.

В однополупериодной схеме выпрямления габаритная мощность вторичной обмотки больше, чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки, следовательно, габаритная мощность трансформатора также возрастает. Это является недостатком однополупериодной схемы выпрямления.

Коэффициентом использования трансформатора принято называть отношение полезной мощности выпрямителя к габаритной мощности трансформатора:

.

Большой коэффициент пульсации, большие размеры трансформатора вследствие плохого использования его обмоток, большое обратное напряжение на диод ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на ее простоту.

Читайте также

- Устройство полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n &... [читать подробенее]

oplib.ru

---

• 
  Схема соединения лампочки с выключателем
• 
  Мосэнергосбыт алтуфьевский телефон
• 
  Греющий кабель для водопровода установка своими руками
• 
  Виды диэлектрических потерь факторы влияющие на диэлектрические потери
• 
  Кпд тэц
• 
  Датчики холла
• 
  Что такое аппаратный интерфейс
• 
  Вторичные цепи электропередачи
• 
  Диммируемые лампы что это такое
• 
  Напряжение кв
• 
  Принцип импульсный блок питания