Емкости p-n-перехода

При подаче на p-n-переход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.

Образование p-n-перехода связано с возникновением пространственного заряда, создаваемого неподвижными ионами атомов доноров и акцепторов. Приложенное к p-n-переходу внешнее напряжение изменяет величину пространственного заряда в переходе. Следовательно, p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

Такая емкость p-n-перехода называется барьерной. Барьерная емкость C_Б может быть рассчитана по формуле

,

где

S - площадь p-n-перехода; e ·e₀ - относительная (e) и абсолютная (e₀) диэлектрические проницаемости; D - ширина p-n-перехода.

Особенностью барьерной емкости является ее зависимость от внешнего приложенного напряжения. С учетом (2.2) барьерная емкость для резкого перехода рассчитывается по формуле:

,

где знак ” + “ соответствует обратному, а ”-“ прямому напряжению на переходе.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения называется вольтфарадной характеристикой (см. рис. 2.6). В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением r_pn.

Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы.

Диффузионная емкость может быть рассчитана следующим образом:

,

где t_n - время жизни электронов в базе.

Величина диффузионной емкости пропорциональна току через p-n-переход. При прямом напряжении значение диффузионной емкости может достигать десятков тысяч пикофарад. Суммарная емкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей. При обратном напряжении C_Б > C_ДИФ; при прямом напряжении преобладает диффузионная емкость C_ДИФ >> C_Б.

Рис. 2.7

Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рис. 2.7. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода r_pn включены две емкости C_Б и C_ДИФ; последовательно с r_pn включено объемное сопротивление базы r¢_Б. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, r_pn шунтируется емкостным сопротивлением и общее сопротивление p-n-перехода определяется объемным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои нелинейные свойства.

Типы диодов

Диоды классифицируются:

1. По частоте:

2. низкочастотные;

3. среднечастотные;

4. высокочастотные;

5. СВЧ – диоды.

6. По технологии изготовления:

7. точечные;

8. сплавные;

9. диффузионные.

10. По функциональному назначению:

11. выпрямительные;

12. универсальные;

13. светодиоды;

14. туннельные диоды.

Основными характеристиками выпрямительного диода являются следующие параметры: I_пр,U_пр, I_{пр max}, U_прmax, I_обр, U_{обр max}, r_диф, где r_диф – дифференциальное сопротивление диода: .

Для стабилитрона основными параметрами являются I_{с min}, I_{с max}, U_{с min}, U_{с max}, кроме того стабилитрона (определяется в рабочей точке), номинальные данные и напряжение пробоя U_{обр max}. Также даётся ТКН (температурный коэффициент напряжения): или в % на °С: .

Импульсные диоды характеризуются рабочей частотой f и импульсной характеристикой: t_вост (время, за которое диод восстанавливает свои свойства), ёмкостью p-n-перехода C_pn и теми же характеристиками, что и выпрямительные диоды: I_пр, I_обр и т.д.

Система электропитания. Классификация и характеристики выпрямителей. Одно- и двухполупериодный выпрямитель с R нагрузкой.

Источники питания составляют основную часть электронного устройства. Примерно 50% от веса аппаратуры составляет блок питания из-за того, что в его состав как правило входит трансформатор, который имеет большие габариты и массу.

Блок питания состоит из: трансформатора, диодной схемы, сглаживающего фильтра и стабилизатора.

Система электропитания – совокупность первичных и вторичных источников питания.

Первичные источники питания – устройства, преобразующие неэлектрическую энергию в энергию электрическую (генераторы и т.п.)

Вторичные источники питания – устройства, преобразующие один вид электрической энергии в другой (например переменный ток в постоянный (выпрямители), постоянный ток в переменный (инверторы)).

Трансформатор предназначен для согласования диодной схемы с питающей сетью. Отношение количества витков вторичной и первичной обмоток называется коэффициентом трансформации . Второе назначение трансформатора – изоляция диодной схемы от сети в том случае, если нагрузка заземлена.

Диодная схема предназначена для выпрямления напряжения на входе и получения на выходе некоторой постоянной составляющей.

U_d – постоянная составляющая напряжения;

I_d – постоянная составляющая тока.

В зависимости от вида диодной схемы качество напряжения на выходе диодной схемы различны. Это качество оценивает коэффициент пульсаций:

.

Коэффициент пульсаций может быть как больше 1 (для двухполупериодных выпрямителей), так и меньше 1 (для однополупериодных).

В качестве сглаживающих фильтров используют пассивные RC и LC фильтры (чаще используют фильтры LC). Одно звено LC фильтра уменьшает коэффициент пульсаций не более чем в 25 раз. Для более сильного уменьшения K_п применяют 2-х или 3-х звенные фильтры. (при количестве звеньев больше 3 возможно самовозбуждение).

Стабилизатор предназначен для дальнейшего уменьшения пульсаций (уменьшает K_п в 1000 и более раз). Как правило его основа – интегральные микросхемы (ОУ или специальные микросхемы).

Совокупность трансформатора, диодной схемы и сглаживающего фильтра называется выпрямителем. Основными характеристиками выпрямителя являются:

1) средневыпрямленный ток на нагрузке I₀;

2) средневыпрямленное напряжение на нагрузке U₀;

3) коэффициент пульсаций на нагрузке K_п0;

4) внешняя характеристика выпрямителя U₀=U₀(I₀).

Однополупериодная схема выпрямителя.

Процессы, происходящие в схеме, покажем на осциллограммах:

В положительный полупериод напряжения U₂ диод VD открывается и через нагрузку протекает ток i₂ равный i_d . При этом на нагрузке напряжение имеет синусоидальный характер с амплитудой U_2m (падением напряжения на диоде пренебрегаем).

В отрицательный полупериод напряжения U₂ диод VD заперт и к нему приложено обратное напряжение U_{обр max}=U_2m. Таким образом напряжение и ток на нагрузке имеют импульсный характер (от 0 до p – синусоидальный характер и от p до 2p напряжение и ток равны нулю).

Определим характеристики выпрямителя:

1. Действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора:

обозначим wt=u, тогда или .

Отсюда сразу виден недостаток однополупериодной схемы выпрямления: средневыпрямленное напряжение обмотки более чем в 2 раза меньше U₂.

2. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:
, где I_2m – амплитуда тока вторичной обмотки трансформатора.
Зная соотношение между U_d и U₂ можно записать следующее выражение:
I₂=1.57I_d,где I_d – средневыпрямленный ток .
Эти выражения позволяют определить мощность вторичной обмотки трансформатора, а также получить требования к намоточному проводу вторичной обмотки (P₂=U₂I₂).

3. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:
между током первичной и вторичной обмотки зависимость линейна , где n – коэффициент трансформации. В свою очередь i₂=I₂-I_d, тогда . Определим действующее значение тока i₁ (I₁):
.
Далее можно определить мощность P₁ первичной обмотки трансформатора (P₁=U₁I₁). Зная мощность первичной и вторичной обмоток можно рассчитать типовую мощность трансформатора (S):

4. Обратное напряжение на диоде

5. Частота первой гармоники напряжения на нагрузке (f_н1): f_н1=f_сети=50 Hz.
Отсюда следует второй недостаток однополупериодной схемы выпрямления. Он состоит в том, что при частоте 50 Hz при построении сглаживающего фильтра необходимы более громоздкие L и C.

6. Коэффициент пульсаций , где U_1m определяется путём разложения в ряд Фурье кривой напряжения на нагрузке (для однополупериодной схемы выпрямления U_1m>U_d, что также является её недостатком).

Т.к. в токе вторичной обмотки присутствует постоянная составляющая, равная I_d, то трансформатор испытывает вынужденное подмагничивание поэтому возможно искажение сигнала на выходе трансформатора за счёт его насыщения. Чтобы избежать этого, увеличивают размеры трансформатора.

В связи с перечисленными недостатками данная схема используется если не требуется высокого качества выходного сигнала.

Двухполупериодная схема со средней точкой.

Она содержит трансформатор со средним выводом и два диода. Состоит из двух однополупериодных выпрямителей.

W^’₂=W^’’₂;

Из схемы сразу виден её недостаток: необходимость вывода средней точки трансформатора и одинаковое число витков вторичной обмотки.

Изобразим временные диаграммы:

Рассмотрим работу данной схемы.

В положительный полупериод открыт диод VD1 и через нагрузку протекает ток диода i_д1. Амплитуда напряжения нагрузки U_{н max}=U_2m. В отрицательный полупериод закрывается диод VD1 и открывается диод VD2 так как полуобмотки идентичны, то амплитуда напряжения на нагрузке также будет равна U_2m. Напряжение на нагрузке имеет импульсный характер, причём частота основной гармоники в 2 раза больше частоты сети (f_н1=2f_сети). Ток, протекающий в каждой из полуобмоток отличен от нуля в течение одного полупериода. Относительно сердечника трансформатора магнитные потоки, создаваемые токами полуобмоток, имеют синусоидальный характер. Поэтому можно считать, что ток вторичной обмотки трансформатора (относительно сердечника) имеет синусоидальный характер.

Основные характеристики выпрямителя.

1. Средневыпрямленное напряжение на нагрузке U_d:
т.к. данный выпрямитель является комбинацией из двух однополупериодных выпрямителей, то: .

2. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:
т.к. характер тока, протекающего через полуобмотку трансформатора (в сравнении с однополупериодным выпрямителем) не изменился, то соотношение будет таким же: .
Далее, проделав аналогичные выводы, что и для однополупериодного выпрямителя, получим:
где
.

3. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:
т.к. относительно сердечника трансформатора ток вторичной обмотки синусоидальный, то: где . Подставляя вместо I_2m соотношение, полученное ранее, имеем: ,где n - коэффициент трансформации.

4. Обратное напряжение на диоде (U_{обр max}): . Отсюда виден недостаток данной схемы выпрямления: наличие большого обратного напряжения.

5. Коэффициент пульсаций K_п=0.67

6. Частота основной гармоники f_н1=2f_сети

Данная схема имеет следующие преимущества перед однополупериодной:

1) более низкий K_п;

2) более высокая частота основной гармоники.

К недостаткам схемы можно отнести усложнение схемы и конструкции трансформатора.

Дата добавления: 2014-01-04