Полупроводниковый вентиль что это

полупроводниковый вентиль

Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электрическим переходом (переходами), имеющий два вывода.

Примечание. 1. Полупроводниковый диод, предназначенный для работы в диапазоне сверхвысоких частот, называется «сверхвысокочастотный полупроводниковый диод», а для работы в импульсном режиме — «импульсный полупроводниковый диод». 2. В зависимости от основного назначения полупроводникового диода различают: «выпрямительный полупроводниковый диод», «смесительный полупроводниковый диод» (нрк «смесительный детектор»), «детекторный полупроводниковый диод» (нрк «приемный детектор»), «модуляторный диод», «переключательный полупроводниковый диод», «генераторный полупроводниковый диод», «умножительный диод», «параметрический полупроводниковый диод».

Политехнический терминологический толковый словарь . Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц . 2014 .

• полупроводниковый диод
• полупроводниковый материал

Смотреть что такое «полупроводниковый вентиль» в других словарях:

• полупроводниковый диод — диод Ндп. полупроводниковый вентиль Полупроводниковый прибор с двумя выводами и несимметричной вольтамперной характеристикой. Примечание Если не указано особо, этим термином обозначают приборы с вольт амперной характеристикой, типичной для… … Справочник технического переводчика
• полупроводниковый диод — полупроводниковый диод; диод; отрасл. полупроводниковый вентиль Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электрическим переходом (переходами), имеющий два вывода. Примечание. 1. Полупроводниковый диод, предназначенный для работы в… … Политехнический терминологический толковый словарь
• Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p n перехода. Плоскостные p n переходы для… … Википедия
• ВЕНТИЛЬ — (1) устройство дня регулирования и запирания потока жидкости, пара млн. газа по трубопроводу; (2) приспособление в камере пневматической шины, допускающее накачивание воздуха в камеру и препятствующее его выходу обратно; (3) прибор… … Большая политехническая энциклопедия
• диод — Двухэлектродная электронная лампа, имеющая катод и анод. Примечание. Термин кенотрон рекомендуется применять только для диодов, предназначенных для выпрямления переменного тока. полупроводниковый диод; диод; отрасл. полупроводниковый вентиль… … Политехнический терминологический толковый словарь
• Квазиоптика — (англ. quasioptics) область радиофизики, задача которой освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн, в субмиллиметровом диапазоне канализация волн по волноводам невозможна из за большого затухания в них, поэтому используются… … Википедия
• Преобразовательная техника — раздел электротехники (См. Электротехника), предметом которого является разработка способов и средств преобразования электрической энергии; совокупность соответствующих преобразовательных устройств. Устройства П. т. изменяют величины… … Большая советская энциклопедия
• Тиристор — (от греч. thýra дверь, вход и англ. resistor Резистор полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника (См. Полупроводники) с четырёхслойной структурой р n p n типа, обладающий свойствами вентиля электрического … Большая советская энциклопедия
• Медно-закисный выпрямитель — (вентиль) полупроводниковый диод на основе закиси меди. Содержание 1 Устройство 2 Параметры и свойства 3 … Википедия
• Словарь метротерминов — Эта страница глоссарий. Приведены основные понятия, термины и аббревиатуры, встречающиеся в литературе о метрополитене и железной дороге. Подавляющее большинство сокращений пришли в метрополитен с железной дороги напрямую или образованы по… … Википедия

Полупроводниковые вентили-диоды и стабилитроны

В электротехнике до недавнего времени широко применялись два основных вида материалов: проводники и изоляторы. Из проводников — металлов и их сплавов — изготавливают провода, обмотки электрических машин, токоведущие части самых различных электрических машин, аппаратов и других устройств. К проводникам относятся также растворы кислот, щелочей, солей — их называют электролитами. Растворы кислот и щелочей, в частности, применяются в аккумуляторах, которыми оборудуется каждый тепловоз. Изоляторы в обычных условиях вообще не пропускают электрического тока. Они используются для изоляции проводов и различных токоведущих частей. К изоляторам относятся фарфор, стекло, слюда, резина и т. д. Кроме проводников и изоляторов, в природе существуют и такие вещества, которые по своей электрической проводимости занимают промежуточное положение. Это полупроводники. К полупроводникам принадлежат: графит, селен, германий, кремний и многие другие вещества. Широкое изучение физических свойств полупроводников показало, что некоторые из них обладают очень ценными качествами. Однако эти свойства проявляются только в химически очень чистых полупроводниках со строгим кристаллическим строением. Получение таких полупроводниковых материалов представляет собой сложную техническую проблему. Уже налажено производство германия и кремния по достаточно низкой цене. Ранее в полупроводниковых диодах использовался селен. Производство селеновых диодов отличается достаточной простотой. Применение германия, кремния и некоторых других подобных материалов позволило создать многочисленные компактные полупроводниковые приборы с самыми различными свойствами: диоды, стабилитроны, транзисторы, тиристоры и т. д. На основе использования этих полупроводниковых приборов осуществлена подлинная техническая революция в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, приборостроении. В электрооборудовании тепловозов нашли широкое применение полупроводниковые диоды в качестве выпрямительных и запирающих устройств. Кроме того, в электрических аппаратах систем автоматики используются полупроводниковые триоды-транзисторы и тетроды-тиристоры. Рассмотрим основные устройства селеновых, германиевых и кремниевых полупроводников диодов. Главная особенность диодов состоит в том, что они пропускают ток лишь в одном направлении и совсем или почти совсем не пропускают его в обратном направлении. Первое направление прохождения тока называют прямым током, противоположное— обратным током. Иными словами, электрическое сопротивление диода при прохождении прямого тока очень мало, а при обратном токе — велико. Поэтому полупроводниковые диоды используют главным образом в качестве электрических вентилей. Свое название электрический вентиль получил по аналогии с обратным клапаном (вентилем) в водяном трубопроводе. Такой клапан легко пропускает воду в «прямом» направлении. Если же направление потока воды изменится, то клапан автоматически под действием напора воды закроется и запрет трубу. Вода в обратном направлении благодаря клапану проходить не сможет. Стабилитроны отличаются от диодов режимом работы. Для стабилитрона нормальным рабочим режимом является электрический пробой. Благодаря этому свойству стабилитроны используются для поддержания постоянным (стабилизации) напряжения на определенных участках электрических цепей. Например, если в цепь с изменяющимся напряжением включают аппарат, рассчитанный для работы на ограниченном напряжении, то параллельно ему присоединяют стабилитрон. Рабочее напряжение аппарата должно быть равно напряжению пробоя стабилитрона. Если напряжение в цепи будет повышаться выше нормы, то происходит пробой стабилитрона, через него проходит ток и предупреждается дальнейшее повышение напряжения на зажимах стабилитрона и присоединенного к нему прибора. При этом ток пробоя стабилитрона не должен превышать определенной величины во избежание теплового пробоя, разрушающего полупроводник. Таким образом, стабилитрон напоминает плотину электростанции на реке. Она поддерживает определенный уровень воды, создавая постоянный напор на турбинах. Излишняя вода сливается через плотину, предупреждая чрезмерный рост напора при увеличении расхода воды (например, при паводке). Селеновый диод (рис. 229) состоит из опорного электрода, иа который нанесен слой селена, затем слой покровного металла, и контактной шайбы. Опорный электрод изготавливается из никелированной стали или алюминия. Покровным металлом является сплав олова, висмута и кадмия. Контактная шайба служит вторым электродом.

Рис. 229. Селеновый диод: а) общий вид; б) условное обозначение на электрических схемах

Селен принадлежит к полупроводникам с р-проводимостью. В процессе изготовления диода происходит диффузия кадмия в селен, образуется слой селеннда кадмия, обладающий свойствами полупроводника типа n. (От латинских слов positivus — положительный и negativus — отрицательный). Между селеном и этим слоем возникает р-n переход, являющийся запирающим слоем. После сборки производится формовка диода. Для этого через него пропускают постоянный ток в направлении, противоположном прямому току. При формовке повышается качество запирающего слоя, увеличивается его обратное сопротивление. Селеновый диод хорошо пропускает ток от опорного электрода через селей, запирающий слой, покровный металл к контактной шайбе. В противоположном направлении сопротивление запирающего слоя в сотни раз больше, чем в прямом, поэтому обратный ток ничтожен по своей величине. Если обратное напряжение превысит допустимые пределы, то происходит пробой диода. В выпрямительных устройствах количество диодов, соединенных последовательно, берется с таким расчетом, чтобы обратное напряжение на каждом из них не превосходило допустимого значения (22—25 В). Величина прямого тока диода ограничивается нагревом. Так, селеновые диоды выдерживают температуру не более 70—75° С. Для получения достаточно большого по величине выпрямленного тока соединяют параллельно несколько диодов. Обычно селеновые диоды собирают в виде столбиков. Селеновый выпрямитель, применяемый на тепловозах ТЭЗ, показан на рис. 230.

Рис. 230. Селеновый выпрямитель

Столбик выпрямителя состоит из 16 диодов, соединенных по два последовательно в восемь параллельных групп. Селеновые диоды (шайбы) столбика стянуты шпилькой и укреплены па изоляционной панели с помощью угольников. Внешняя цепь подключается к зажимам, которые посредством перемычек и выводов соединены с селеновыми шайбами. На каждой секции тепловоза ТЭЗ установлены два селеновых выпрямительных столбика (выпрямителя) в электрических цепях тахогенераторов Т1 и Т2. На тепловозах ТЭЗ последних выпусков селеновые выпрямители собирались из шайб квадратной формы, число их было уменьшено до 12. Развитие полупроводникой техники привело к созданию более совершенных германиевых и кремниевых диодов. Эти диоды пропускают во много раз больший по величине прямой ток, чем селеновые вентили. Максимальные обратные напряжения германиевых диодов достигают 200 В, а кремниевых—1000 В и более. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150—180° С. Поэтому при использовании в равных условиях масса и габариты германиевых или кремниевых диодов во много раз меньше, чем селеновых. Коэффициент полезного действия селеновых вентилей составляет около 80%, а новых диодов — до 99%. В германиевых и кремниевых приборах используются тщательно очищенные полупроводники с добавкой к ним незначительного (обычно менее 0,001%), строго установленного количества определенной примеси. Малое содержание примеси не изменяет исходную монокристаллическую структуру полупроводника. Однако примесь создает так называемую примесную проводимость, которая многократно превышает собственную проводимость чистого полупроводника и тем самым повышает эффективность его работы. Кроме того, примесь придает проводимости полупроводника определенный характер р-или n-проводимости. Донаторные примеси образуют избыток свободных электронов и обеспечивают n-проводимость полупроводника, акцепторные примесизахватывают электроны из кристаллической решетки полупроводника, устанавливая р-проводимость (От латинских слов donator — даритель и acceptor — получатель). В монокристаллическом полупроводнике р-п переход (запирающий слой) создается только на границе между двумя слоями с различными типами проводимости. Примеси в полупроводники для образования р-п перехода добавляются сплавным или диффузионным методами. В первом случае полупроводник непосредственно сплавляется с материалом примеси, во втором — в вакуумной камере при высокой температуре происходит диффузия атомов из паров примесного материала в полупроводник. Устройство германиевого диода показано на рис. 231.

Рис. 231. Германиевый диод

Основной его частью является тонкая пластина, которая вырезана из монокристалла германия с донаторной примесью (сурьма или мышьяк) и имеет n-проводимость. В пластину вплавлена капля индия. В результате термодиффузии атомы индия проникают в германий и, будучи акцепторной примесью, образуют слой с проводимостью р. На границе между областями с р- и n-проводимостями возникает р-n переход, являющийся запирающим слоем. Площадь пластины германия зависит от силы тока, на которую рассчитывается диод. Пластину припаивают к массивному основанию, которое хорошо отводит от нее тепло во избежание перегрева. К основанию подключен нижний зажим диода. Верхний зажим связан с индиевой наплавкой гибким соединением. Германиевая пластинка защищена герметичным металлическим корпусом. Верхний зажим отделен от крышки корпуса изолирующей втулкой. Анодом является верхний зажим диода, катодом — нижний, прямой ток проходит от индия к германию. Кремниевый диод имеет аналогичное устройство. Его основной частью является пластина, вырезанная из монокристалла кремния, с вплавленным в нее алюминиевым столбиком. Кремний имеет n-проводимость, которая усиливается донаторной примесью с помощью напыления сурмянистого золота. Алюминий создает акцепторную примесь, и этот слой кремния приобретает р-проводимость. В пластине кремния образуется р-n переход, обладающий вентильными свойствами.

Рис. 232. Диод, обрудованный радиатором воздушного охлаэждения: а) общий вид; б) продольный разрез без радиатора

В силовых кремниевых диодах (рис. 232), рассчитанных на прохождение токов большой величины (до 1000 А), р-n-переход в кремниевой пластине создается диффузионным способом. В кремниевую пластину с одной стороны вводят акцепторную примесь бора, а с другой стороны — донаторную примесь фосфора. В пластине появляются зоны с р- и n-проводимостями, а на их границе возникает запирающий слой. Для защиты хрупкой кремниевой пластины от механических повреждений к ней с двух сторон припаивают вольфрамовые пластины, имеющие одинаковый с кремнием коэффициент линейного расширения. Нижняя вольфрамовая пластина в свою очередь припаяна к основанию корпуса, а верхняя с помощью контактной чашечки вывода и втулки соединена с гибким шунтом, имеющим наконечник. От воздействия внешней среды и механических повреждений полупроводниковый элемент с внутренними выводами герметично закрыт корпусом и крышкой. Для усиления охлаждения мощных диодов на их основание и нижнюю контактную шпильку устанавливают радиаторы, имеющие плоские металлические ребра. Благодаря этому поверхность охлаждения диода увеличивается. Чтобы еще более усилить отвод тепла, радиатор помещают в поток охлаждающего воздуха. В цепях постоянного тока вентиль применяют как запирающее устройство и включают последовательно с участком цепи, в котором необходимо обеспечить прохождение тока лишь в одном направлении, например в цепи заряда аккумуляторной батареи от вспомогательного генератора.

Электропитающие устройства и линии автоматики, телемеханики и связи — Электрические вентили и выпрямительные устройства

Электростанции вырабатывают и передают потребителям переменный ток частотой 50 Гц. Однако для аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики в основном требуется постоянный ток. Поэтому возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. Для этого используют выпрямительные устройства (выпрямители), которые состоят из трансформатора Т, выпрямительной схемы В и фильтра Ф (рис. 218).
Трансформатор служит для преобразования стандартного переменного напряжения сети в переменное напряжение, при котором на выходе выпрямительного устройства получается постоянное напряжение, необходимое для питания аппаратуры автоматики и телемеханики.
Выпрямительная схема состоит из вентилей, пропускающих ток только в одном направлении. На выходе выпрямительной схемы выпрямленный ток изменяется по величине (пульсирует).

Рис. 218. Структурная схема выпрямительного устройства

В результате действия фильтра пульсация выпрямленного напряжения, подводимого к нагрузке, становится во много раз меньше.

Полупроводниковые вентили.

Для электропитания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики применяют полупроводниковые вентили (селеновые, кремниевые). Вентиль представляет собой прибор, обладающий односторонней проводимостью. Току прямого направления вентиль оказывает малое сопротивление, а току обратного направления — очень большое сопротивление. Это основное электрическое свойство вентиля выражается его вольт-амперной характеристикой (рис. 219), т. е. зависимостью тока от напряжения, приложенного к вентилю.
При прямом напряжении Unp вентиль легко пропускает ток, который резко увеличивается с возрастанием прямого напряжения. Зависимость выражает прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь этой характеристики выражает зависимость обратного тока от приложенного обратного напряжения. Под действием обратного напряжения вентиль пропускает незначительный ток, увеличивающийся с возрастанием обратного напряжения. При обратном напряжении, называемом напряжением пробоя, происходит электрический пробой вентиля.
Максимальное обратное напряжение, которое вентиль может выдерживать без пробоя, сохраняя в допустимых пределах значение обратного тока, называется допустимым обратным напряжением. Для надежной работы вентиля допустимое обратное напряжение выбирают намного меньше напряжения пробоя.
Полупроводниковый вентиль представляет собой контактное соединение двух полупроводников с различными типами проводимости — электронной п и дырочной р (рис. 220, а). Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике п по сравнению с полупроводником р электроны будут проникать из полупроводника п в р. Аналогично будут проникать дырки в полупроводник п. В результате этого в тонком пограничном слое полупроводника п образуется объемный положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р — объемный отрицательный заряд.

Рис. 219. Вольт-амперная характеристика вентиля
Электрическое поле этих пространственных зарядов противодействует дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход р — п. Таким образом, в слое р — п возникает потенциальный барьер.

Рис. 220. Принцип работы вентиля

Если положительный полюс источника питания соединить с полупроводником р, а отрицательный полюс — с полупроводником п (рис. 220, б), то электрическое поле источника ослабит действие пространственных зарядов и уменьшит потенциальный барьер, в результате чего возрастает диффузия, а следовательно, и ток через переход р — п. Такое соединение источника является прямым. При обратном соединении, когда положительный полюс источника соединен с полупроводником п, а отрицательный —с полупроводником р, внешнее электрическое поле источника усиливает поле пространственных зарядов и удаляет основные носители тока с обеих сторон перехода (рис. 220, в). В этом случае через переход проходит очень малый ток, создаваемый движением неосновных носителей. Таким образом, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает односторонней проводимостью, т. е. является вентилем.

Селеновые вентили (рис. 221).

На алюминиевую пластину 1 круглой, квадратной или прямоугольной формы нанесен тонкий слой селена 2, а поверх него — слой легкоплавкого сплава 3 из олова, кадмия и висмута. Между слоем селена, имеющего дырочную электропроводимость, и легкоплавким сплавом, обладающим электронной проводимостью, образуется вентильный р — n-переход.
Выпускаются селеновые элементы разных размеров на токи нагрузки от 60 мкА до 24 А на один элемент. Чем больше активная поверхность элемента, тем больший ток можно пропустить через него.
В зависимости от допустимого переменного напряжения селеновые элементы делят на шесть классов:

Селеновые вентили собирают в выпрямительные столбики. В столбике отдельные элементы соединяют в различные выпрямительные схемы. В системах автоматики и телемеханики используют однофазный и трехфазный выпрямительные мосты. После длительной работы прямое сопротивление селеновых вентилей повышается, это явление называется старением вентилей. В нормальных условиях работы выпрямителей срок их службы составляет примерно 5 лет. При нарушении нормальных режимов работы (перегрузка, превышение допустимой температуры и т.п.) срок службы выпрямителя сокращается.

Кремниевые вентили.

Силовые кремниевые вентили подразделяют на неуправляемые и управляемые (тиристоры). По конструкции они напоминают германиевые вентили, но их изготавливают из других материалов. Основой кремниевого вентиля (рис. 222) является тонкая пластинка 2 чистого кремния, обладающая электронной проводимостью. Эту пластину сплавляют с пластиной алюминия 4. Вследствие диффузии атомов алюминия в кремнии создается тонкий слой 3, обладающий дырочной (р) проводимостью. Таким образом, внутри кремниевой пластины создается р — n-переход, обусловливающий выпрямляющее действие вентиля. Кремниевые вентили находятся в герметичном корпусе, что защищает их от влияния влажности окружающей среды. Один вывод кремниевого вентиля соединяется с алюминиевой пластиной, другой с токосъемным сплавом 1 серебра с сурьмой, нанесенным на другую сторону пластины кремния. Вентиль проводит ток в направлении от алюминия к кремнию. Выпрямительные кремниевые вентили имеют немного большее прямое сопротивление, чем германиевые, зато их обратное сопротивление примерно на порядок больше. Допустимое обратное напряжение кремниевых вентилей больше, чем германиевых, и достигает 600 В и более, рабочий ток, до1000 А рабочая температура от — 60 до +150 С. Большое допустимое обратное напряжение позволяет составлять выпрямительные схемы из кремниевых вентилей без их последовательного соединения. Кремниевые вентили имеют небольшие размеры и пропускают большие токи, поэтому они требуют интенсивного охлаждения. При небольших нагрузках их охлаждают с помощью радиаторов, а при больших нагрузках—потоком воздуха от специального вентилятора.

Рис. 223. Тиристор

Рис. 222. Пояснение к устройству кремниевого вентиля

Рис. 221. Селеновый вентиль

Тиристор (рис. 223) представляет собой кремниевую пластину с n-проводимостью, в которой создается четырехстопная полупроводниковая структура р — n — р — n, состоит из трех р — n-переходов, включаемых последовательно. Два крайних слоя р и n с припаянными к ним металлическими электродами являются анодом А и катодом К тиристора. К внутреннему слою с проводимостью р присоединяют управляющий электрод УЭ, через который проходит небольшой ток управления.
Тиристор может находиться в двух состояниях: в выключенном, или закрытом, которое
характеризуется большим сопротивлением, и во включенном, или открытом, которое характеризуется малым сопротивлением. Переход из закрытого состояния в открытое осуществляется с помощью подачи на анод большого положительного потенциала или подачи в цель управляющего электрода УЭ необходимою импульса напряжения. Переход тиристора из открытого состояния в закрытое осуществляется при отключении анодного напряжения или уменьшении прямого тока, проходящего через тиристор, до некоторого минимального значения, называемого удерживающим током.

Рис. 224. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона

Кремниевые стабилитроны.

Плоскостные кремниевые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения или для получения опорного (образцового неизменного) напряжения, называют кремниевыми стабилитронами или опорными диодами.
Для стабилизации напряжения обычно используют участок АВ вольт-амперной характеристики кремниевого стабилитрона (рис. 224), когда к нему подключают обратное напряжение. При напряжении Uа начинается электрический пробой р — n-перехода. Напряжению Uа соответствует минимальный ток стабилизации Imin. Обратному напряжению Uв соответствует максимальный ток стабилизации Iтах и наибольшая допустимая мощность в стабилитроне Рmах = UвImах. При напряжениях, больших Ur, мощность, выделяемая в стабилитроне, превышает установленный предел. В результате электрический пробой переходит в тепловой и наступает необратимое разрушение р — n-перехода.
Таким образом, в области электрического пробоя (на участке АВ вольт-амперной характеристики) кремниевые стабилитроны не перегреваются выше допустимой температуры и не выходят из строя. Причем напряжение пробоя остается почти постоянным при условии, когда обратный ток меняется в очень широких пределах. Это свойство кремниевых диодов и используют для стабилизации напряжения. Стабилизатор напряжения (рис. 225, а) состоит из кремниевого стабилитрона V и резистора R0, включенных последовательно. Сопротивление нагрузки RH включают параллельно стабилитрону.
При напряжении Uвx min начинается электрический пробой р — n- перехода стабилитрона V и на выходе стабилизатора устанавливается напряжение Uвыхmin. При увеличении входного напряжения увеличивается ток кремниевого стабилитрона, а выходное напряжение меняется незначительно.

Рис. 225. Стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном:
а — схема; б — характеристики

Сопротивление резистора R0 выбирается таким, чтобы при напряжении ток кремниевого стабилитрона не превышал заданный предел, за которым происходит пробой и стабилитрон выходит из строя.
Пределы стабилизации напряжения в кремниевом стабилитроне ограничены минимальным и максимальным токами стабилизации. Напряжение стабилизации кремниевых стабилитронов зависит от их типа и может быть равно от 3,7 до 100 В. Если необходимо стабилизировать более высокое напряжение, то включают несколько стабилитронов последовательно. Параллельное включение стабилитронов не применяется, так как невозможно подобрать стабилитроны с совершенно одинаковыми вольт-амперными характеристиками и при параллельном включении работает только один стабилитрон, у которого электрический пробой наступает раньше. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода имеет резкий излом при прямом напряжении 1—1,5 В, поэтому кремниевые диоды можно использовать для стабилизации малых напряжений. В этом случае их включают в прямом направлении.
Кремниевые стабилитроны используют в выпрямителях диспетчерской, горочной и электрической централизации для получения опорного (определенного неизменного) напряжения.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам.

Если у вас не прогружаются какие-то фотографии / картинки / чертежи, тогда рекомендуем использовать VPN сервисы!

04.03.2014

Полупроводниковые вентили. Схемы выпрямления переменного тока

Известно, что полупроводниковые материалы (германий, кремний) относятся к четвертой группе периодической системы Менделеева и имеют на своей внешней оболочке четыре валентных электрона. Кристаллическая решетка полупроводников построена таким образом, что каждый из атомов окружен четырьмя другими атомами. Связь между ближайшими атомами, осуществляемая валентными электронами, называется парноэлектронной.

Каждый валентный электрон имеет свое место в кристаллической решетке, но под воздействием внешних факторов любой из них может покинуть свою орбиту, превратившись в свободный электрон. Когда валентный электрон освобождается, на орбите образуется «дырка», которую можно рассматривать как положительный заряд. «Дырка» может быть занята другим свободным электроном. Движение «дырок» хаотическое. Если к полупроводнику приложить напряжение, движение электронов и «дырок» становится направленным, начинает протекать ток, обусловленный нарушением валентных связей химически чистого вещества. Величина этого тока очень маленькая из-за небольшого числа свободных электронов в полупроводнике.

Таким образом, полупроводники обладают собственной проводимостью, но в чистом виде их не применяют, так как они проводят ток в обоих направлениях. Если в кристалл полупроводника германия Ge, имеющего четыре валентных электрона, добавить небольшое количество вещества пятой группы (например, сурьмы Sb), то четыре из пяти электронов на внешней оболочке атома Sb образуют прочные парновалентные связи с четырьмя соседними атомами Ge. Пятый, «лишний» электрон оказывается свободным; их число зависит от соотношения смеси. Эти свободные электроны обусловливают примесную проводимость полупроводника, называемую электронной, или проводимостью типа n.

Аналогичное явление происходит при внесении в качестве примеси элемента третьей группы (например, индия In), атом которого имеет три валентных электрона, образующих три прочные парновалентные связи. Для четвертой связи не хватает одного электрона— образуется «дырка». Проводимость такого типа называется «дырочной», или проводимостью типа p.

Примесная проводимость существует наряду с собственной и значительно превышает ее.
При соединении двух полупроводниковых пластин, обладающих одна электронной, а вторая «дырочной» проводимостями, часть свободных электронов слоя n диффундирует (переходит) в слой p и заполняет здесь избыточные «дырки», одновременно оставляя в слое n не заполненные электронами места — «дырки». Этот процесс приводит к нарушению нейтральности слоев: слой р заряжается отрицательно, а слой n — положительно (рис. 1). На границе соединения возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему проникновению свободных электронов слоя n в слой p, т. е. создается электронно-дырочный переход типа n — p. Пластина в целом остается нейтральной. Если к пластине приложить внешнее напряжение (плюсом, например, к слою р, а минусом — к слою n), то под действием внешнего источника «дырки» слоя n устремятся к отрицательному полюсу источника, а свободные электроны слоя p — к положительному полюсу — потечет ток. Такое включение полупроводниковой пластины называется подключением в прямом правлении.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы: а — образование электронно-дырочного перехода; б, в — включение в обратном и прямом направлениях

Если батарею включить плюсом к слою n, а минусом — к слою р, то оставшиеся свободные электроны слоя n устремятся к плюсу источника, а «дырки» слоя р — к минусу. На границе соединения возрастает запорная разность потенциалов, и очень небольшое число свободных электронов способно преодолеть барьер n — р — перехода. Такое включение полупроводника называется подключением в обратном направлении.

Таким образом, описанное устройство обладает односторонней проводимостью.

Вентили (диоды) обладают резко выраженным свойством односторонней проводимости. Конструкция и вольт-амперная характеристика диода Д304 приведены на рис. 88,а, б. В полупроводниковую пластину типа n вплавляют столбик полупроводника типа р, и все это помещают в герметичный корпус. Проволочные выводы подсоединяют к полупроводникам типов n и р.

Рис. 2. Устройство и вольт-амперная характеристика диода Д304

По виду вольт-амперной характеристики можно судить о сопротивлении диода, которое не является постоянной величиной. При прямом напряжении диод обладает небольшим сопротивлением (характеристика крутая), при обратном — сопротивление велико (характеристика пологая). С увеличением обратного напряжения ток в обратном направлении увеличивается очень медленно до определенного значения напряжения U_F. При дальнейшем увеличении U_R происходит пробой диода, и обратный ток резко возрастет при небольшом увеличении обратного напряжения — диод выходит из строя. Поэтому допустимое обратное напряжение не должно превышать 75—80% напряжения U_F, при котором наступает
пробой.

Полупроводниковые диоды используют для выпрямления переменного тока и в логических схемах вычислительных машин. Схемы одно- и двухполупериодного выпрямления, выпрямления трехфазного переменного тока приведены на рис. 3, I, а их характеристика — на рис. 3, II.

Схемы выпрямления переменного тока

Наиболее простой (всего один диод) является однополупериодная схема выпрямления однофазного переменного тока (см. рис. 3,а). Ток в нагрузке протекает только в течение одной половины периода. В течение второй половины периода к диоду приложено напряжение обратной полярности и ток в нагрузке не протекает. Среднее значение выпрямленного в такой схеме напряжения U_d определяется из выражения U_d=0,45 U. Однако применяют схему одиополупериодного выпрямления очень редко, так как выпрямленный ток имеет большую амплитуду и низкую частоту пульсаций, что требует применения дорогостоящих сглаживающих фильтров.

Рис. 3. Схемы выпрямления переменного тока

Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока применяют однотактную схему на двух диодах и трансформаторе со средней точкой (см. рис. 3,б) и мостовую схему на четырех диодах (см. рис. 3,в). В обоих случаях ток в нагрузке протекает в течение всего периода в одном направлении. Среднее значение выпрямленного в такой схеме напряжения U_a определяется из выражения U_d=0,9 U.

Как правило, мостовая схема собирается на полупроводниковых диодах, а однотактная — на кенотронах либо газотронах.

Для выпрямления трехфазного тока чаще всего применяют одно- и двухтактные мостовые схемы. В однотактной схеме (см. рис. 3, г) фазная обмотка трансформатора нагружена током только одного направления, протекающим в течение одного полупериода. В таких схемах обязательно имеется вывод от нулевой точки вторичной обмотки трансформатора. Среднее значение выпрямленного в такой схеме напряжения U_d можно определить из выражения U_d = 1,05 U.

Двухтактные схемы (см. рис. 3, д) нагружают фазные обмотки трансформатора в течение всего периода. Среднее значение выпрямленного напряжения U_d можно определить из выражения U_d = 2,1 U.

Иногда диоды используют в работе на участке характеристики, где при широком изменении тока напряжение остается практически постоянным. Такие диоды, называемые стабилитронами, используют для поддержания постоянства напряжения на нагрузке, которая включается параллельно стабилитрону.

В обозначении диодов имеется буква Д, например: Д223, КД202. В обозначении стабилитронов имеется буква С, например: 2С920, КС620 и т. д.