Электротехника с основами электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Ю.Г. Кузьмин

Электротехника с основами электроники

Теоретические основы,

общие методические указания и задание по курсовой работе

Барнаул 2007

Содержание

Введение

1. Основные элементы аналоговой электроники

1.1 Понятие полупроводниковых материалов

1.2 Собственная проводимость полупроводников

1.3 Примесная проводимость полупроводников

1.4 Механизм формирования n - p перехода

1.5 Свойства n - p перехода

1.5.1 Закрытый переход

1.5.2 Открытый переход

1.6 Способы изменения состояния n - p перехода

1.7 Обозначения диодов

1.8 Особенности расчета схем с нелинейным элементом - диодом

1.9 Диод в цепи постоянного тока

1.9.1 Диод открыт

1.9.2 Диод закрыт

1.10 Диод в цепи переменного тока

1.10.1 Диод в открытом состоянии

1.10.2 Диод закрыт

1.11 Параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне

1.12 Пример расчета параметрического стабилизатора

Введение

полупроводниковый диод проводимость стабилизатор

В курсе электротехники рассматриваются линейные и нелинейные электрические цепи, которые связаны с тепловыми и электромагнитными полями. В линейных электрических цепях электрическая энергия преобразуется в два вида энергии: энергию тепловую и энергию электромагнитного поля. В нелинейных электрических цепях, к которым относятся электрические машины, стабилизаторы переменного напряжения, электроизмерительные приборы, всевозможные реле и коммутаторы, в качестве нелинейных элементов используют свойства ферромагнитных материалов. Энергоемкость, материалоемкость, большой вес и объем, к сожалению, ограничивают их конкурентно способность по сравнению с полупроводниковыми материалами. Полупроводниковые материалы рассматриваются обычно в отдельном разделе, который называют «Основы электроники», «Электроника», «Промышленная электроника» и т.п.

В настоящих материалах представлено несколько разделов. Первый раздел посвящен основным нелинейным аналоговым элементам, которые выпускает современная электронная промышленность. Даны характерные для них электрические параметры и использование их для реализации практических электронных схем. Кратко рассмотрены их полупроводниковых элементов в цепях постоянного и переменного тока, указаны характерные для них области применения.

Во втором разделе приведены основные схемы электроники, на которых основана современная автоматика, телемеханика и т.д. Основное место занимают усилители и генераторы электрических сигналов. Остальные схемы, получившие широкое распространение в радиотехнике, телемеханике, автоматики и прочих областях, в силу физического ограничения со стороны издательских организаций, упоминаются очень кратко. При необходимости более полный материал можно получить в технической литературе, список которой приведен в конце данной работы.

В третьем разделе дается перечень, области применение и методика синтеза цифровых электронных схем, без которых автоматизация современных технологических процессов немыслима.

Четвертый раздел посвящен промышленным преобразователям электрической энергии, выпрямителям и инверторам. Сделан основной упор на управляемые преобразователи постоянного и переменного тока (напряжения), которые с успехом применяются в различных областях науки и технике. Например, переход на питание осветительных устройств с помощью высокочастотных источников энергии, позволяет более чем на 300% экономить электрическую энергию, по сравнению с традиционными способами освещения жилых и промышленных помещений.

В пятом разделе приведены основные системы управления преобразователями электрической энергии. Здесь приведены как аналоговые системы управления, так и цифровые.

Шестой раздел содержит примеры преобразователей с описанием принципа их работы.

Раздел 1. Основные элементы аналоговой электроники

1.1 Понятие полупроводниковых материалов

К полупроводникам относят все вещества, проводимость которых много проводимости металлов, но лучше изоляционных материалов (диэлектриков). К полупроводникам относить вещества, которые при комнатной температуре имеют удельную проводимость от 10^-10 до 10⁴ (Ом см)^-1. Эта проводимость зависит вещества, количества инородной примеси, от внешних условий (температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрического и магнитного полей).

Известны простые полупроводниковые материалы: алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn. К ним же относятся органические и неорганические соединения: арсенид галлия Ga As, антимонид индия In Sb, фосфид индия In P, карбид кремния Si ,бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Широкое применение нашли элементы четвертой группы периодической системы Менделева:Ge, кремний Si.

1.2 Собственная проводимость полупроводников

У германия Ge и кремния Si кристаллическая решетка тетраидрообразна. В связи с этим каждый атом находится в близком соседстве с четырьмя атомами (рис. 1.1). Атом связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Ковалентная связь - общая орбита двух атомов, на которой вращаются два электрона, расположенных на противоположных концах диаметра орбиты. Заполняются орбиты электронами от первого и второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть атомов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. При этом в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь, называемая дыркой, которая обуславливает дырочную проводимость полупроводника. Этот процесс получил имя «генерация носителей». Такая связь всегда восстанавливается, захватывая электрон соседнего возбужденного атома (процесс рекомбинации). Создается видимость перемещения положительного заряда в кристалле. Таким образом, в чистом полупроводнике, в отличие от металла, имеется электронная (negative - отрицательная) и дырочная (positive - положительная) проводимости.

Процесс генерации электронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи.

Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом - рекомбинацией. При рекомбинации ковалентные связи восстанавливаются и атомы полупроводника становятся нейтральными.

В результате при постоянстве внешних условий вполупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих пар.

В чистом полупроводнике на образование пары носителей зарядов требуется затратить значительное количество энергии, потому его проводимость даже при комнатной температуре весьма мала. По этой причине чистый полупроводник для передачи тока не применяют. Как изолятор он тоже не годится, так как его изоляционные свойства намного хуже свойств диэлектриков.

1.3 Примесная проводимость полупроводников

Увеличить проводимость можно, легируя полупроводник трехвалентными или пятивалентными примесями. В пятивалентной примеси (сурьма Sb, фосфор P, мышьяк As) один электрон не участвует в ковалентных связях и легко переходит в свободную зону (рис. 1.2) при сообщении ему энергии гораздо меньшей, чем необходимо для разрыва ковалентной связи. В результате атом примеси, отдав электрон, становится устойчивым неподвижным положительным ионом.

Такие примеси называют донорными, проводимость примесной, а легированные ими полупроводники - полупроводниками n - типа. Основными носителями заряда в полупроводнике n типа являются электроны, а не основными - дырки.

Трехвалентный атом примеси (алюминий Al, боp В, индий In) наоборот, для заполнения четвертой ковалентной связи стремится отобрать электрон у ближайшего атома полупроводника (рис.3). При этом образуется устойчивый отрицательный ион и дырка (атом, потерявший валентный электрон). В полупроводниках p-типа основными носителями заряда являются дыpки, а не основными - электроны. Такие примеси называют акцепторными, проводимость примесной, а легированные ими полупроводники - полупроводниками р - типа. Основными носителями заряда в полупроводнике р типа являются электроны, а не основными - дырки.

Пpи комнатной температуре в пpимесных полупроводниках практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии и количество созданных ими основных носителей намного превышает количество не основных носителей. Таким образом, удается сделать пpимесную проводимость на несколько порядков больше собственной. Пpимесная проводимость в меньшей степени зависит от внешних факторов, так как она определяется концентрацией легирующей примеси.

Примесные полупроводники обладают хорошей проводимостью, но использовать их в качестве токонесущих проводов, из-за хрупкости материала, невозможно. Они нашли иное применение, так как позволили получить n - p переход с удивительными свойствами.

1.4 Механизм формирования n - p перехода

Электpонно - дырочный переход является основой всех полупроводниковых приборов. Он образуется на границе двух полупроводников с разным типом проводимости (pис. 1.4). Механизм образования p-n перехода таков. При соединении двух типов полупроводников закон диффузии заставляет перемещаться дырки в область n, а электроны в область p. Как тольно носители переходят границу раздела полупроводников, они оказываются среди множества носителей противоположного знака и рекомбинируют, превращаясь в нейтральные атомы. Например, дырка, перейдя в n область, рекомбинирует с электроном области n. В результате по мере диффузии число электронов в слое n уменьшается, слой обедняется электронами и , относительно области n, становится положительно заряженным. Аналогично образуется отрицательно заряженный слой в области p. Из рис.4 видно, что указанные заряженные области равносильны конденсатору, между зарядами которого образуется электрическое поле.



Чтобы определить направление действия этого поля достаточно мысленно зайти с диффундирующей дыркой на границу раздела полупроводников. При этом легко увидеть, что поле конденсатора будет тормозить движение дырки. Если дырка имеет малую кинетическую энергию, то поле ее остановит и изменит направление ее движения на противоположное. То же самое происходит с электронами, диффундирующими из области n в область p.

Вывод 1.1. В результате рекомбинации на границе соединения двух полуроводников с разным типом примесной проводимости возникает контактная разность потенциалов U_З, которая препятствует потоку (току I_диф) диффузионных носителей, устремляя его к нулю.

Не трудно, по предложенному мысленному опыту, определить направление движения не основных носителей кристалла, если они в результате дрейфа окажутся в зоне действия поля перехода. Хотя неосновных зарядов очень мало, но они определяют свойство закрытого p-n перехода, что учитываот при конструировании электронных элементов таких, как диоды, транзисторы, тиристоры и симисторы.

Вывод 1.2. Контактная разность потенциалов, способствует движению не основных носителей, которые в результате дрейфа оказывются в зоне p-n перехода. По мере роста U_З их поток (ток I_ДР) растет.

В результате отмеченных процессов в полупроводниковом приборе наступает динамическое равновесие, при котором суммарный ток перехода будет равен нулю

 (1.1)

На переходе установится контактная разность потенциалов, составляющая 0,3 - 0,4 В для германиевых и 0,7 - 1,0 В для кремниевых переходов.

1.5 Свойства n - p перехода

1.5.1 Закрытый переход

Приложим к переходу напряжение с полярностью, указанной на рис. 1.5. Легко понять, что внешнее поле к своим клеммам будет притягивать основные заряды. Например, от перехода области n будут уходить к клемме «+» электроны, увеличивая тем самым положительный объемный заряд перехода. Аналогично увеличится и отрицательный объемный заряд в p области. При этом диффузия практически прекратится, а ток дрейфа увеличится до своего максимального значения. Число не основных носителей в полупроводниках очень мало и потому этот ток может составлять единицы микроампер и даже меньше. Общая разность потенциалов на переходе при этом максимальна и ее можно вычислить по формуле, полученной по второму закону Кирхгофа:

(1.2)

Состояние диода, при котором он почти не пропускает ток, называют закрытым. Малый ток I_ОБР и большое напряжение U_ОБР закрытого диода принято называть обратными. Величины обратных токов и напряжений зависят от типов диодов. Для современных диодов их значения принадлежат интервалам

I_ОБР [доли микроампер - единицы миллиампер]

U_ОБР [единицы вольт - сотни вольт].

1.5.2 Открытый переход

Приложим к переходу напряжение с полярностью, указанной на рис. 1.6. Легко понять, что внешнее поле будет толкать основные носители к переходу. Например, в области p дырки будут проталкиваться в обедненную область, уменьшая тем самым отрицательный объемный заряд. Аналогично уменьшается и положительный объемный заряд в n области. Начнется диффузия и диффузионный ток достигает максимального значения. Мы знаем, что основных носителей очень много и потому ток открытого перехода может достигать сотен ампер. Ток неосновных носителей при этом практически равен нулю, так как общее напряжение на переходе становится малым. Его можно вычислить по формуле, полученной по второму закону Кирхгофа:

(1.3)

Из формулы (3) видно, что результирующее напряжение p-n перехода при определенном внешнем напряжении можно сделать равным нулю. На практике этого не делают, так как ток диода при этом стремительно возрастает и выводит диод из строя.

Состояние диода, при котором он пропускает ток, называют открытым. Большой ток I_ПР и малое напряжение U_ПР открытого диода принято называть прямым. Для современных диодов эти значения принадлежат интервалам

I_ПР [единицы миллиаампер - сотни ампер]

U_ПР [доли вольта - единицы вольта].

Все отмеченные нами свойства диода отражаются в его вольтамперной характеристике - зависимости тока диода от приложенного к нему внешнего напряжения. Обобщенный вид этой характеристики приведен на рис. 1.7. На графике отмечены важнейшие параметры диода: I_ПР, U_ПР, I_ОБР, U_ОБР. Чтобы диод не выходил из строя для него завод изготовитель указывет номинальные параметры: наибольший прямой ток и наибольшее допустимое обратное напряжение при максимальной температуре среды. Указанные в справочнике параметры превышать нельзя. Превысив прямой ток, разогреем диод и он выйдет из строя. Превышая обратное напряжение, получим результирующее поле перехода настолько большим, что поле станет разгонять носители заряда до скоростей, при которых начнется лавинообразная ионизация. При этом, как показано на графике, напряжение перехода можно уменьшать, но процесс плавления перехода уже не остановить. И в этом случае диод выйдет из строя.

Вывод 1.3. Прежде чем диод подключать в электрическую цепь в справочнике нужно узнать для него параметры: I_ПР, U_ПР , I_ОБР , U_ОБР. Не допускать режимов работы диода, при которых эти параметры превышаются.

1.6 Способы изменения состояния n - p перехода

Рассмотренный способ уменьшения контактной разности потенциалов не единственный. Можно переход освещать сильным световым потоком Ф. В результате внешнего и внутреннего фотоэффектов световой поток будет изменять концентрацию носителей на переходе. Такие диоды называют фотодиодом. Они преобразуют световой поток в электрический ток. Существуют диоды, которые преобразуют энергию тока в свет. Эти диоды называют светодиодами.

Температура окружающей среды приводит к усиленной термогенерации носителей зарядов. В кристталле это изменяет параметры диода (прямой ток возрастает, обратное напряжение уменьшается). Можно было бы это явление использовать для построения измерителей температуры окружающей среды. Этого не делают по одной причине: велик риск выхода диода из строя. Если Вы откроете иные способы, изменяющие контактную разность потенциалов, то получите открытие для измерения новых физических величин.

1.7 Обозначения диодов

Взависимости от назначения диоды обзначают по разному. Так на рис. 1.8 представлены такие диоды: VD1 - выпрямительный диод, VD2 - кремниевый стабилитрон, VD3 - фотодиод, VD4- светодиод VD5 - диодный тиристор (динистор), VD6 - не запираемый тиристор с управлением по аноду, VD7 - запираемый тиристор с управлением по аноду, VD8 - запираемый тиристор с управлением по катоду.

Так как разнообразие диодов этим не ограничивается, то они имеют обозначение цифробуквенное:

Первый элемент это буква или цифра, указывающая на материал, из которого изготовлен диод: Г (или 1) германий, К (или 2) кремний, А (или 3) арсенид галия, И (или 4) фосфид индия.

Второй элемент это буква, обозначающая функционалное назначение диода: Д - выпрямительный или импульсный диод; Ц - выпрмительный столб или блок; В - варикап; И - тунельный диод; А - сверхвысокочастотный диод; С - стабилитрон; Г - генератор шума; Д - излучающий оптоэлектронный диод; О - оптопара; Н - диодный тиристор; У - триодный тиристор.

Третий элемент это цифра, обозначающая функциональные возможности диода:

Подкласс Д

1 - выпрямительный диод на ток до 0,3 А;

2 - выпрямительный диод на ток щто 0,3 А до 10 А;

3 - выпрямительный диод на ток свыше 10 А;

4 - импульсный диод с временем восстановления до 150 мс;

5 - импульсный диод с временем восстановления от 150 мс до 500 мс;

6 - импульсный диод с временем восстановления 30 … 150 мс;

7 - импульсный диод с временем восстановления 5 … 30 мс;

8 - импульсный диод с временем восстановления 1 … 5 мс;

9 - импульсный диод с временем восстановления менее 1 мс.

Подкласс Ц

1 - средний выпрямленный ток до 0,3 А;

2 - средний выпрямленный ток до 0,3…10 А;

3 - средний выпрямленный ток для выпрямительного блока не более 0,3 А;

4 - средний выпрямленный ток для выпрямительного блока 0,3…10 А.

Подкласс В

1 - подстроечный варикап;

2 - умножительный варикап.

Подкласс И

1 - усилительный тунельный дирод;

2 - генераторный тунельный дирод;

3 - переключающий тунельный дирод;

4 - обращенный диод.

Подкласс А

1 - смесительный диод;

2 - детекторный диод;

3 - усилительный диод,

4 - параметрический диод;

5 - переключающий или ограничивающий диод;

6 - умножительный или настроечный диод;

7 - генераторный диод;

8 - импульсный диод.

Подкласс С

1 - стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжение стабилизации менее 10 В;

2 - стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжение стабилизации менее 10…100 В;

3- стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжение стабилизации более 100 В;

4 - стабилитрон мощностью до 0,3…5 Вт и напряжение стабилизации менее 10 В;

5 - стабилитрон мощностью до 0,3…5 Вт и напряжение стабилизации менее 10..100 В;

6 - стабилитрон мощностью до 0,3…5 Вт и напряжение стабилизации более 100 В;

7 - стабилитрон мощностью до 5…10 Вт и напряжение стабилизации менее 10 В;

8 - стабилитрон мощностью до 5…10 Вт и напряжение стабилизации менее 10…100 В;

9 - стабилитрон мощностью до 5…10 Вт и напряжение стабилизации более 100 В.

Подкласс Г

1 - низкочастотный генератор шума;

2 - высокочастотный генератор шума.

Подкласс Л

Источники инфракрасного излучения:

1 - излучающий диод;

2 - излучающий модуль.

Приборы визуального представления информации

3 - светоизлучающие диоды;

4 - знаовые индикаторы;

5 - знаковые табло;

6 - шкалы;

7 - экраны.

Подкласс О

Р - резисторные оптопары;

Д - диодные оптопары;

У - тиристорные оптопары;

Т - транзисторные оптопары.

Подкласс Н

1 - тиристоры с максимально допустимым средним значением тока не более 0,3 А;

2 - тиристоры с максимально допустимым средним значением тока не более 0,3…10 А;

оптопары.

Подкласс У

Незапираемые тиристоры

1 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии не более 0,3 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии не более 15 А;

2 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии 0,3…10 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии 15…100 А;

7 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии более 10 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии более 100 А.

Запираемые тиристоры

3 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии не более 0,3 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии не более 15 А;

4 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии не более 0,3…10 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии не более 15…100 А;

8 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии более 10 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии более 100 А.

Симметричные тиристоры

5 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии не более 0,3 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии не более 15 А;

6 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии 0,3…10 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии 15…100 А;

9 - тиристор с допустимым средним током в открытом состоянии более 10 А или максимальным значением импульса тока в открытом состоянии более 100 А.

Четвертый элемент

01…99 это число, обозначающее порядковый номер разработки (или 101…999)

Пятый элемент

Это все буквы русского алфавита (кроме букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э), означающие классфификацию изготовленных приборов, изготовленных но единой технологии.

Дополнительные элементы обозначения

1…9 - модификация прибора с измененной конструкцией или параметрами,

С - сборна или набор элементов в одном корпусе;

1 - гибкие выводы без кристаллодержателя;

2 - гибкие выводы с кристаллодержателем;

3 - жесткие выводы без кристаллодержателя;

4 - жесткие выводы с кристаллодержателем;

5 - с контактными полощадками без кристаллодержателя и выводов;

6 - с контактными полощадками на кристаллодержателе без выводов;

Р - прибор с парным подбором элементов;

Г - подборка в четверки;

К - подборка в шестерки.

1.8 Особенности расчета схем с нелинейным элементом - диодом

Свойства схемы, содержащей диод или другой нелинейный элемент, полностью определяются путем решения уравнений, полученных при составлении их по первому и второму законам Кирхгофа. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента, например диода, не дает возможности пользоваться законом Ома (на графике рис. 1.9 видно, что равенство U = IR не справедливо).

В результате алгебраически найти ток цепи невозможно. По этой причине решение уравнений выполняют графически. Для чего в системе координат рис 1.9, где приводится вольтамперная характеристика диода, чертят уравнение состояния электрической цепи.

Тогда координаты точки пересечение графиков являются решением задачи. Такое решение можно выполнить как для открыторго диода (точка А1), так и для закрытого диода (точка А2).

1.9 Диод в цепи постоянного тока

1.9.1 Диод открыт

Рассмотрим подробнее порядок расчета схемы рис. 1.9а, состоящей из диода VD нагрузки R и источника постоянного напряжения. Составим уравнение электрического состояния схемы

(1.4)

После применения закона Ома получим модификацию этого уравненения

(1.5)

Видим, что уравнение (5) Относительно тока цепи не решается, так как в нем два неизвестных и. Второе уравнение нам известно, это вольтамперная характеристика диода рис. 1.9..

(1.6)

Система уравнений (1.5) и (1.6) в принципе решается, но графически. Поэтому в системе координат, где приведена вольтамперная характеристика диода, через две произвольные точки, принадлежащие этой прямой, проведем уравнение прямой (1.5). Единственное условие это то, чтобы эти точки помещались в плоскости, занимаемой системой координат. Разумеется, что система координат имеет масштаб, как по оси ординат, так и по оси абсцисс. Рассмотрим два слечая, когда диод открыт и когда он закрыт. Например, для диода, находящегося в открытом состоянии проводим прямую (1.5) так, как показано на рис. 1.9b. Пересечение графиков дает точку А1, координаты которой дают решение (, ). Анализ решения позволяет сделать ряд выводов:

Вывод 1.4. Напряжение на диоде менее 1 В, ток значительный.

Вывод 1.5. Напряжение на нагрузке практически равно напряжению источника питания, особенно при идеальном диоде, у которого в открытом состоянии сопротивление равно нулю.

1.9.2 Диод закрыт

Если диод находится в закрытом состоянии, то так же проводим нагрузочную прямую на графике в области отрицательных значений напряжения на диоде. На рис.9b получим точку А2, координаты которой дают нам решение (, ). Анализ полученного решения тоже приводит к ряду выводов:

Вывод 1.6. Ток диода практически равен нулю. Значит диод пропускает ток только в одном направлении, когда он открыт.

Вывод 1.7. Напряжение на диоде диоде практически равно напряжению источника питания, особенно для идеального диода, у которого в закрытом состоянии сопротивление равно бесконечности. Следовательно, диод как ключ отключает в этом случае нагрузку от источника питания.

1.10 Диод в цепи переменного тока

Рассмотрим поведение диода в цепи переменного синусоидального напряжения, представленной на рис. 1.10.

1.10.1 Диод в открытом состоянии

Пусть напряжение источника питания меняется по синусоидальному закону В этом случае система уравнений для положительной полуволны синусоиды, когда выполняется неравенство , запишется так для мгновенных значений тока и напряжений.



Так как напряжение изменяется вначале от нуля до Еm, то и ток будет менятся от нуля до максимального значения Im. Эти значения определяют координату пограничной точки А1. Аналогично, при уменшении напряжяения от Еm до 0, ток тоже будет уменьшаться от Im до нуля.

Вывод 1.8. Уменьшение или увеличение напряжения на открытом диоде приводит к значительному увеличению или уменьшению в нем тока.

Выбрав большое число промежуточных значений входного напряжения в указанном нами диапазоне, и построив столько же прямых линий, мы получим множество решений. Из множества кордрдинат точек пересечения прямой и характеристики диода выбрать значения тока i, перенести их в систему координат рис. 1.1. Плавно соединив эти точки, получим форму тока, протекающего по цепи через диод и нарузку.

Легко выяснить форму тока алгебраически. Для этого обратимся к практике применения выпрямленного тока. В промышленности напряжение сети питания намного превосходит падение напряжения на открытом диоде, потому часто его считают равным нулю. В этом случае Тогда первое уравнение системы уравнений (7) принимает такой вид:

Следовательно мгновенное значение тока определяется мгновенным значением переменного напряжения сити:

 (1.7)

Вывод 1.9. Форма тока в цепи открытого диода повторяет форму переменного напряжения источника питания.

В радиотехнических устройствах и измерительной технике источника питания мало и падением напряжения на диоде пренебречь нельзя. При этом за счет нелинейности характеристики диода форма тока может довольно сильно отличаться от формы приложенного напряжения источника питания. При этом говорят о нелинейных искажениях тока.

1.10.2 Диод закрыт

Пусть напряжение источника питания меняется по синусоидальному закону . Тогда система уравнений для отрицательной полуволны синусоиды, когда выполняется неравенство , запишется так для мгновенных значений тока и напряжений

(1.8)

Решение таже выполняем графически. По графику видно, что при закрытом диоде тока практически в цепи не будет и все напряжение исочника питания прикладывается к диоду. Обратный ток диода настолько мал, что для промышленных установок его не учитывают. Только в радиотехнических средствах и в средствах измерений его учет становится необходимым.

Вывод 1.10. Уменьшение или увеличение напряжения на закрытом диоде приводит к увеличению или уменьшению напряжения на диоде, а ток в цепи практически равен нулю.

Вывод 1.11. Чтобы диод не вышел из строя его обратное напряжение доллжно быть больше амплитудного напряжения источника питания.

Вывод 1.12. При знакопеременном напряжении источника питания ток в цепи будет одного направления (рис. 1.11). Потому такая схема может служить выпрямителем тока. Его называют однополупериодном однофазным выпрямителем

Вывод 1.13. Ток рассмотренного выпрямителя является не постоянным во времени. Большинство существующих электронных систем работать от такого источника постоянного напряжения не могут.

Сделать ток питания постоянным во времени можно с помощью фильтров и стабилизаторов напряжения. Простейшим стабилизатором является параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне.

1.11 Параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне

Рассмотрим работу схемы, представленной на рис. 1.12а. Стабилитрон обладает тем свойством, что его характеристика при закрытом диоде имеет участок пробоя, занимаюший интервал токов от I_min до I_max. При этом на стабилитроне напряжение остается постоянным. В схеме обозначено:

E - постоянное напряжение источника питания;

E - абсолютное изменение напряжения источника питания в течение суток;

А - точка решения задачи, для которой ток I₀ является решением уравнения сотавленного по второму закону Кирхгофа;

I_min - минимальный ток стабилизации;

I_max - максимальный ток стабилизации.

По графику видно, что при изменении напряжения источника питания в пределах E, ток в стабилитроне тоже будет меняться относительно среднего значения тока I _СТ, на величину I. Однако напряжение на стабилитроне остается постоянным. Если параллельно стабилитрону подключить нарузку, то и в ней напряжение будет неизменным. Сопротивлене R_б в рассматриваемой схеме является ограничительным (баластным). Сопротивление не позволяет, с ростом напряжения источника питания, току в стабилитроне достигнуть максимального значения, при котором произойдет пробой диода.

Вывод 1.14. Схема рис. 12 поддерживает напряжение на стадилитроне постоянным при изменение напряжения источника питания.

Вывод 1.15. Чтобы стабилизатор работал в номинальном режиме нужно правильно подобрать величину баластного сопротивления R_б. При малом сопротивлении диод выйдет из строя, а при очень большом сопротивлении рабочая точка может оказаться в начале вольтамперной характеристки диода и он не будет стабилизировать напряджение.

Для количественной оценки качества стабилизации такого параметрического стабилизатора принято вычислять коэффициент стабилизации. Этот коэффициент показывает, во сколько раз относительные изменения не стабилизированного входного напряжения больше относительного изменения стабилизированного выходного напряжения:

где - изменение напряжения на стабилитроне в интервале изменения тока стабилизации от Imin до Imax. Теоретически этот коэффициент достигает величины порядка 20.

На практике от реальных стабилитронов получают коэффициент не более 10. Такая велияина коэффициента стабилизации для ряда практических задач является явно недостаточным.

Баластное сопротивление R_б расчитать легко потому, что напряжение нагрузки, соединяемой параллельно стабилитрону, известо. Так если напряжение источника питания равно 15 В, в нагрузке напряжение известно и равно 6,3 В, то по справочнику легко найти стабилитрон, у которого напряжение стабилизации близко к этому напряжению. Одновременно нужно смотреть на ток нагрузки. Например, ток нагрузки равен 10 мА. Значит ток стабилитрона должен быть больше этого тока примерно в два раза. Выбираем по справочнику [9] стабилитрон 2C162Б-1 с напряжением стабилизации 6,2 B; Imin = 1 мА; Imax = 34 мА.

1.12 Пример расчета параметрического стабилизатора

1. Берем рабочую точку стабилитрона так, чтобы она аходилась посередине его вольтампеной характеристки

2. Находим из второго уравнения Кирхгофа надение напряжения на баластном сопротивлении

3. Вычислим ток, втотекающий через баласное сопротивление, используя перыфй закон Кирхгофа

4. Вычисляем величину баласного сопротивления

5. Вычисляем допустимую мощность резистора

6. Из справочника [16] выбираем резистор С2-6 номинальным сопротивлением 330 Ом 5% и допустимой мощностью 0,25 Вт..

Размещено на Allbest.ru

...