Туннельные и обращенные диоды

Тунельные диоды представляют собой полупроводниковый прибор на основе высоколегированного полупроводникового материала, используется в быстродействующих электронных переключателях (до  переключений в секунду), генераторах и усилителях электрических колебаний сверхвысоких частот.

Обращенные диоды используются для переключения, детекттирования и преобразования частоты.

Эти диоды изготавливают из германия  и арсенида галия  с высокой концентрацией примеси, что позволяет получить очень узкий p – n переход.

В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Вероятность этого процесса возрастает при увеличении напряженности электрического поля в области перехода.

Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода падающего участка (а. б.) с отрицательным сопротивлением (рисунок 11, а)

а) ВАХ туннельного                 б) ВАХ обращенного диода Рисунок 11

Поскольку туннельный ток не связан со сравнительно медленными процессами диффузии или дрейфа электронов, туннельные диоды являются практически безинерционными приборами, туннельный эффект слабо зависит от температуры, поэтому туннельные диоды можно использовать в диапазоне температур от – 100 до +150 .

В обращенных диодах концентрация примесей меньше, чем в туннельных, несколько изменяет их ВАХ (рисунок 11, б). Ток максимума на прямой ветви ВАХ незначительный или полностью отсутствует. В таких диодах при прямом смещении p – n – перехода протекает ток, обусловленный инжекционными процессами, а при обратном смещении туннельным механизмом. Следовательно, характеристика обращенного диода представляет собой обратную характеристику туннельного диода, а при обратном смещении – прямую характеристику обычного диода, однако с туннельным характером тока.

К основным параметрам туннельных и обращенных диодов относятся:

 и  – максимальный и минимальный токи, соответствующие максимуму и впадине ВАХ.

 и  – напряжение на диоде соответствующее максимальному и минимальному току. 

. – отношение максимального тока к минимальному.

– средняя величина отрицательного сопротивления падающей ветви ВАХ.

Фотодиоды

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том что под действием энергии светового излучения в области p – n – перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к p – n – переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок ). Промышленность выпускает германиевые и кремниевые фотодиоды.

 Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогенераторном и фотопреобразовательном. В отличие от фотогенераторного фотопреобразовательный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n и p – типов на общей их границе создается контактная разность потенциалов  (Рисунок8.а.). При отсутствии светового потока (Ф=0) и нагрузки (ключ разомкнут) диффузионная составляющая тока p – n – перехода , обусловленнаяплотностью тока основных носителей, уравновешивается дрейфовой составляющей тока , определяемой плотностью тока неосновных носителей. Поэтому: .

При освещении полупроводника в области p – n –перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда p – n – перехода “разделяет” эти пары: дырки дрейфуют в p – область, а электроны – в n – область, т.е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей.

Поскольку в области полупроводника p – типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n – типа накапливаются избыточные носители с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов (рисунок 12, а), представляющая собой фото ЭДС .

Рисунок 12

При подключении внешнего смещения (фотопреобразовательный режим рисунок 12,б) и отсутствии освещения, через p – n переход дрейфуют лишь собственные неосновные носители, обуславливающие дрейфовый ток . Отсутствие диффузионной составляющей тока объясняется тем, что под действием внешнего источника Е внутреннее поле, определяемое фото ЭДС , компенсируется и потенциальный барьер возрастает. При этом большая часть напряжения источника Е падает на большом сопротивлении обратно смещенного p – n – перехода, составляя напряжение . При освещении p – n –перехода, благодаря процессу ионизации атомов кристалла, генерируются дополнительные пары носителей заряда, которые дрейфуя через p – n – переход в том же направлении, что и собственные неосновные носители, обуславливают фототок  и через нагрузку протекает ток .

Зависимость тока фотодиода от приложенного к нему напряжения определяет вольт – амперную характеристику диода . На рисунок 13, а,  семейство таких характеристик при Ф= const. При Ф = 0 через диод протекает лишь тепловой ток . С освещением (Ф>0) фототок диода возрастает пропорционально величине светового потока. Это подтверждает также световая характеристика (рисунок 13, а.) , которая при  имеет строго линейный характер. Поскольку  обычно мал, то отношение  определяющее изменение освещения, значительно. По световой характеристике определяется интегральная зависимость фотодиода, которая равна отношению фототока к интенсивности светового потока:

а) ВАХ  б) световая в) спектральная Рисунок 13

Фототок диода зависит также от длины волны светового излучения. Кривая, отражающая количественную реакцию фотодиода на свет различной длины волны, называется спектральной характеристикой (Рисунок 13, в)

Для германиевого фотодиода значение максимального фототока можно получить в области инфракрасного участка спектра.

2.12Светодиоды (электролюминесцентные диоды)

Светодиоды преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией.

Основой светодиода является p – n переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n – области полупроводника инжектируют в p – область, где они являются не основными носителями, а дырки – во встречном направлении.

В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака.

Рекомбинационные процессы в арсениде галия (GaAs), фосфиде галия (GaP), имеющих большую ширину запрещенной зоны, сопровождается выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются: ВАХ – ; зависимость мощности и яркости излучения от величины прямого тока, соответственно  и  ВАХ аналогична характеристике диодов универсального назначения (рисунок 14,б) .

Мощность и яркость излучения во многом определяется конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропустить через диод при допустимом нагреве, тем больше яркость излучения (рисунок 14, а,б).

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого светаl и КПД. Длина световой волны определяет цвет свечения, зависит от разности энергий , между которыми осуществляется переход электронов, и определяется равенством   , где эрг. – постоянная Планка.  

а) общий вид светодиода  б, в) яркостные характеристики светодиодов Рисунок 14

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в электронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов, в оптронах и т.д. В таблице 4 приведен пример основных параметров светодиода.

Таблица №4 Основные характеристики светодиода

Тип					Цвет св.	Масса, гр.
АЛ102А–102Г	10 – 20	–	5 – 40	–	красный	0,25

МАЛОМОЩНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Основные понятия

Выпрямителями называют электрические схемы, для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от сети переменного тока. Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающих от трехфазной сети.

Структурная схема включает в себя (рисунок 15): силовой трансформатор, вентильную группу, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения или тока и нагрузку. С помощью трансформатора производится преобразование величины входного напряжения, а также электрическое разделение отдельных цепей выпрямителя. Вентили обеспечивают одностороннее протекание тока в цепи нагрузки. В результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают сглаживающий фильтр.

Рисунок 15

Характер сопротивления нагрузки (активной, емкостной или индуктивный) существенно сказывается на режиме работы всех устройств выпрямителя и должен учитываться при его расчете и конструировании.

В состав выпрямителя очень часто входит стабилизатор напряжения или тока, который можно включить на выходе (по постоянному току) или на входе (по переменному току).

Однофазные выпрямители подразделяют на однополупериодные и двухполупериодные.

В однополупериодных выпрямителях по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период, в двухполупериодных выпрямителях, напряжение сети используется оба полупериода, ток во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях.

К основным параметрам выпрямителей относят выходные параметры: среднее значение выпрямленных напряжений  и тока ; внешнюю характеристику – зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки ; коэффициент полезного действия  – отношение мощности постоянного тока выделяемой на нагрузке, к входной мощности переменного тока, определяется для резистивной нагрузки и коэффициент пульсаций . Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды переменной составляющей основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения:

Выпрямители могут иметь многочисленные варианты схем. Рассмотрим схемы выпрямителей, широко применяемые в промышленной электронике.

3.2 Схема выпрямителя с выводом нулевой точки\\

В двухполупериодном выпрямителе в течение одной половины периода переменного напряжения ток протекает через вентиль VD1, а в течении другой половины периода – через вентиль VD2 (рисунок 16). Трансформатор выполнен с двумя вторичными обмотками, имеющими общий (нулевой) вывод. Временные диаграммы напряжений и токов первичной и вторичных обмоток трансформатора, а также сопротивления нагрузки  представлены на рисунок 17.

Рисунок 16

В первый полупериод (интервал от ) потенциал анода вентиля VD1 (точка а), положителен, а вентиля VD2 (точка в) – отрицателен. Поэтому в цепи вентиль VD1 резистор  протекает анодный ток , вентиль VD2 заперт. В следующий полупериод (интервал ) фазы Э.Д.С. во вторичных обмотках изменяются на 180 гр. При этом вентиль VD1 заперт, а вентиль VD2 открыт и в цепи вентиль VD2 – нагрузка  протекает ток . Таким образом, ток  в нагрузке в течении всего периода переменного напряжения протекает в одном и том же направлении за счет чередующихся токов  и  вентилей. Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение .

Рисунок 17

,

где  – действующее значение фазной Э.Д.С., определяется из выражения:

.

Среднее значение выпрямленного тока:

.

Среднее значение выпрямленного тока через каждый вентиль в два раза меньше тока нагрузки:

К запертому вентилю прикладывается обратное напряжение, равное по величине напряжению на вторичной обмотке трансформатора, так как анод неработающего вентиля присоединен к одной фазе, а катод через проводящий вентиль, падение напряжения на котором в предположении идеальности вентиля равно нулю, – к другой фазе вторичной обмотки трансформатора. Максимальное значение обратного напряжения равно двойной амплитуде фазного напряжения:

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Поскольку во вторичной обмотке токи протекают поочередно и имеют противоположные направления, по первичной обмотке проходит чисто синусоидальный ток.

Действующее значение тока в первичной обмотке может быть выражено через средне значение этого тока с учетом коэффициента трансформации:

Следует отметить, что дополнительное подмагничевание сердечника отсутствует, т.к. постоянные составляющие токов вторичных обмоток направлены встречно.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

Из временных диаграмм Рисунок12 видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети .

Для определения коэффициента пульсаций нужно найти амплитуду основной гармоники, разложив в ряд Фурье несинусоидальное выпрямленное напряжение. Для рассматриваемой схемы:

Следовательно, коэффициент пульсаций:

Мостовая схема выпрямителя

Другим вариантом двухполупериодного выпрямителя является мостовая схема (рисунок 18).

К одной диагонали моста прикладывается переменная ЭДС вторичной обмотки трансформатора , во вторую диагональ моста включена нагрузка .

При положительной полуволне ЭДС вторичной обмотки трансформатора  (интервал от ) ток  будет протекать по цепи: точка  с положительным потенциалом – открытый вентиль VD2 – резистор  – открытый вентиль VD3 – точка вс отрицательным потенциалом. Вентиле VD1 и VD4 при этом заперты.

Рисунок 18

Рисунок 19

Таким образом, ток  через нагрузку  в оба полупериода протекает в одном направлении. При этом положительным+ полюсом мостового выпрямителя является узел связи катодов VD2, VD4, а отрицательным – узел связи анодов вентилей VD1 и VD3 (рисунок 19).

Среднее значение выпрямленных напряжений и тока, а также среднее значение тока вентиля в мостовой схеме такие же, как и в схеме с выводом нулевой точки. Обратное напряжение неработающего вентиля определяется фазным напряжением одной вторичной обмотки, поэтому максимальное значение обратного напряжения в мостовой схеме в два раза меньше в сравнении с предыдущей схемой:

Во вторичной обмотке ток протекает дважды за период и при активной нагрузке имеет синусоидальную форму. Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

Преимущества мостовой схемы перед схемой с выводом нулевой точки: максимальное обратное напряжение, прикладываемое к неработающим вентилям, в два раза меньше; меньшая расчетная мощность обеспечивает лучшее использование трансформатора; при расчетном напряжении значении ЭДС совпадающим с напряжением сети, мостовую схему можно питать непосредственно от сети без трансформатора, конструкция проще, а габариты, масса и стоимость трансформатора меньше.

Недостатком мостовой схемы следует считать наличие 4–х вентилей.

Сглаживающие фильтры

Допустимые значения коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы электронного устройства: их выбирают в пределах от 0,001 – 2,5%.

К сглаживающим фильтрам предъявляются следующие основные требования: необходимо максимально уменьшить переменные составляющие напряжения при этом не допустить существенного уменьшения постоянной составляющей; при включении и выключении напряжения сети в фильтре проходят переходные процессы сопряженные с бросками напряжения и тока – последние должны находится в допустимых пределах; собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра.

Обычно сглаживающие фильтры состоят из индуктивных катушек и конденсаторов и лишь в маломощных выпрямителях используются также резисторы.

Основным параметром, позволяющим дать количественную оценку сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания:

где  и  – коэффициенты пульсаций напряжений на входе и выходе фильтра.

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки, включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

При использовании катушек, повышение коэффициента сглаживания можно достигнуть при условии, что индуктивное сопротивление цепи значительно превышает ее активное сопротивление:

где ω – частота основной гармоники выпрямленного напряжения ( )

При этом основная часть падения напряжения переменных составляющих приходится не на сопротивление нагрузки, а на индуктивность фильтра.

Так как активное сопротивление индуктивного элемента фильтра (дросселя) обычно невелико, падение напряжения постоянной составляющей выпрямленного напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практически равным.

Индуктивный фильтр имеет простую схему и обеспечивает малые потери мощности и малое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки.

Поскольку индуктивные фильтры обеспечивают лучшее сглаживание пульсаций при небольших сопротивлениях нагрузки, их применяют главным образом в мощных выпрямителях .

При включении конденсатора параллельно нагрузке , для лучшего сглаживания пульсаций емкостное сопротивление должно быть значительно меньше активного сопротивления:

В этом случае конденсатор заряжается через вентиль до амплитудного значения напряжения на входе фильтра в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе.

Рисунок 20

Широкое применение на практике находят Г – образные индуктивно–емкостные фильтры (рисунок 20).

При выполнении условия  такие комбинированные фильтры позволяют получать значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие индуктивные или емкостные фильтры.

Рассмотрим Г – образную схему сглаживающего фильтра. Если пренебречь падением напряжения постоянной составляющей  на малом активном сопротивлении дросселя можно считать, что:

тогда

Амплитудное значение тока основной гармоники:

где  – полное сопротивление нагрузки и фильтра,  – полное сопротивление нагрузки и конденсатора фильтра.

При выполнении условия ,

Следовательно,

Учитывая, что

 получаем коэффициент сглаживания:

Зная частоту основной гармоники выпрямленного напряжения, по заданному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение L и C (точнее их произведение). Выбор конкретных величин индуктивности и емкости представляет в данном случае не математическую, а техническую задачу. Обычно ее решают с учетом дополнительных условий, к которым относятся габаритные размеры, масса и емкость фильтра, а также допустимый бросок тока при включении.

Более эффективным является П – образные фильтры, представляющие собой сочетание простейшего емкостного фильтра и Г – образного звена (рисунок 21, а).

Лучшие результаты получаются с помощью многозвенных фильтров (рисунок 21, б), состоящих из нескольких последовательно соединенных Г – образных звеньев. Входным элементом таких фильтров является индуктивная катушка. Если первое звено выполнить П – образным, то входным элементом будет емкость.

Поскольку для каждого звена входное напряжение является выходным предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания пульсаций многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживающих звеньев:

Если коэффициенты сглаживания выбрать одинаковыми, то

где n – число звеньев.

а) П – образный фильтр                          б) многозвенный фильтр Рисунок 21

Среди перечисленных требований, предъявляемых к сглаживающим фильтрам, отмечалось необходимость ограничения собственной резонансной частоты фильтра  условием:

откуда

Из сопоставления двух выражений  получим, что .

В отдельных случаях применяют резистивно–емкостные фильтры, которые имеют меньшие габариты, массу и стоимость. Дроссель в этих фильтрах заменен резистором. В отличии от индуктивно–емкостных фильтров здесь происходит существенное уменьшение не только переменных, но и постоянной составляющей выпрямленного напряжения. 

Простейший Г – образный фильтр имеет коэффициент сглаживания пульсаций:

Поскольку для получения хорошей фильтрации гармоник здесь                     также должно соблюдаться условие:

то можно записать

 тогда

В связи с тем, что в таких фильтрах происходит уменьшение выпрямленного напряжения – область применения фильтров ограничивается маломощными потребителями.