Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

6. Основы промышленной электроники

6.1. Общие сведения о полупроводниковых приборах

Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства конца I – начала  века.

Электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности, что требовало создания новых средств измерения, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстродействующих по сравнению с механическими и электромеханическими устройствами. Кроме того, возникла потребность в средствах быстрой передачи на большие расстояния различной информации.

Изобретение радио оказало большое влияние на становление и развитие электроники. В 30–40-е годы начали применяться электронные лампы, но они были ненадежны, имели небольшой срок службы, большие габариты, потребляли большую энергию. И вскоре их заменили полупроводниковые приборы.

Действие полупроводников основано на свойствах р–n перехода, поэтому проводимость полупроводников может меняться в широких пределах в зависимости от температуры нагрева, освещенности, воздействия электрических полей, примеси посторонних атомов и т. д. Эти особенности широко используются в технике.

В последние десятилетия одним из главных направлений стало развитие интегральной микроэлектроники.

6.2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – прибор с одним р–n переходом и двумя выводами, в котором используется свойство перехода. Ток, проходящий через диод в его открытом состоянии, называется прямым током, в другом направлении ток есть, но очень мал (диод заперт). Этот ток называется обратным. Соответственно напряжение, приложенное к диоду, называется – прямое и обратное (рис. 51, а).

На рис. 51, б показана вольт-амперная характеристика диода.

Прямой ток диода направлен от анодного (А) к катодному (К) выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода характеризуют следующие параметры: допустимый прямой ток I_пр и соответствующее ему прямое напряжение U_пр, допустимое обратное напряжение U_обр и соответствующий ему обратный ток I_обр, допустимая мощность рассеяния P_рас  и допустимая температура окружающей среды t_о.с (до 50 ^С для германиевых и до 140 ^С для кремниевых диодов).

По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д.

По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов p-n переход создается на значительной площади (до 1000 мм²), они применяются в основном в автоматике и приборостроении. В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм². Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10–20 мА.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии.

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока. Это – точечные диоды.

Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n перехода при определенных значениях обратного напряжения U_обр = U_проб (рис. 52, а).

На рис. 52, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки R_н. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора U_вх > U_проб (R_н + r) / R_н, напряжение между выходными выводами U_вых   U_проб изменяется незначительно.

Светоизлучающие диоды и фотодиоды. Электрические свойства фотодиода изменяются под действием падающего на него светового излучения – повышается его обратный ток. Светодиоды сами излучают квант света в режиме прямого тока, поэтому они находят применение для индикации режима работы узлов и блоков различных систем.

Светодиод Фотодиод

6.3. Полупроводниковые триоды (транзисторы)

Транзисторы служат для усиления мощности электрических сигналов. Они бывают биполярными и полевыми; имеют три вывода.

Биполярные – основаны на явлениях взаимодействия двух близко расположенных р-n переходов, физические процессы в них связаны с движением носителей зарядов обоих знаков.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру типа p-n-p (рис. 53, а) и n-p-n (рис. 53, б). Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей обоих знаков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой – Б, один крайний слой – коллектором К, а другой крайний слой – эмиттером Э (на электрических схемах эмиттер обозначается со стрелочкой). Каждый слой имеет вывод, при помощи которого транзистор включается в цепь.

Полевые – основаны на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом и на основе конструкции металл-диэлектрик – полупроводник (МДП-транзисторы) с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом бывают или с каналом n-типа (рис. 53, в), или с каналом p-типа (рис. 53, г).

Биполярные транзисторы Полевые транзисторы

Электрод, от которого начинают движение носители заряда (в данном случае электроны), называется истоком И, а электрод, к которому они движутся, – стоком С. Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют общий внешний электрод, называемый затвором З.

Полевые транзисторы обладают высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью требуемых параметров и сравнительно небольшой стоимостью. Из электрических параметров полевые транзисторы отличает их высокое входное сопротивление.

Основное достоинство биполярных транзисторов – высокое быстродействие при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов позволяет работать биполярным транзисторам при мощности рассеяния до 50 Вт и токах до 10 А.

Основной недостаток – относительно небольшое сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (1–10 кОм).

Рассмотрим подробнее биполярные транзисторы. Различают четыре режима работы этих приборов:

– активный режим, в котором переход эмиттер – база включен в прямом направлении, а переход коллектор – база – в обратном;

– инверсный режим, в котором переход эмиттер – база включен в обратном направлении, а переход коллектор – база – в прямом;

– режим отсечки, в котором оба перехода включены в обратном направлении;

– режим насыщения, в котором оба перехода включены в прямом направлении.

В схемах усилителей основным является активный режим работы биполярных транзисторов.

Для усиления сигналов применяются три схемы включения биполярных транзисторов:

– с общей базой (ОБ) – рис. 54, а;

– с общим эмиттером (ОЭ) – рис. 54, б;

– с общим коллектором (ОК) – рис. 54, в.

Название схемы включения транзистора совпадает с названием вывода, общего для входной и выходной цепей. Наиболее часто используются схемы с общим эмиттером.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярных транзисторов

Рассмотрим ВАХ для схемы с общим эмиттером.

Входная ВАХ – это зависимость между током и напряжением во входной цепи при постоянном напряжении коллектора U_КЭ = const/

_.

Входная ВАХ практиче-ски не зависит от напряжения U_КЭ (рис. 55).

Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора от напряжения U_КЭ при постоянном входном сигнале (I_Б = const)

Выходные характеристи-ки приблизительно равноудалены друг от друга и почти пря-молинейны в широком диапазоне напряжения U_КЭ (рис. 56).

Характеристики биполярных транзисторов, а также диодов сильно зависят от температуры окружающей среды. Транзисторы являются полупроводниковыми усилительными приборами универсального назначения и широко применяются в различных типах усилителей, генераторов, в логических и измерительных устройствах.

6.4. Полупроводниковые тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными p-n переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников p- и n-типов.

Различают управляемые (триодные) и неуправляемые (диодные) тиристоры.

Рассмотрим несколько подробнее триодный тиристор.

Триодный тиристор называется управляемым. Он имеет три вывода – анодный А, катодный К и вывод управляющего электрода УЭ, который подключается либо к ближайшей к катоду p-области, либо к ближайшей к аноду n-области (катодное и анодное управление).

Тиристор может быть переключен из закрытого состояния в открытое и наоборот. Условное изображение управляемого тиристора и его вольт-амперные характеристики приведены на рис. 57, а, б.

Питающее напряжение подается на тиристор так, чтобы два перехода были открытыми, а один закрытым; сопротивление закрытого перехода достаточно высокое, следовательно, ток тиристора пока мал.

При повышении напряжения U_пр ток тиристора I_пр увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения.

После этого происходит лавинообразное нарастание тока в переходе и напряжение на тиристоре снижается в соответствии ВАХ (рис. 57, б).

Такой «пробой» не вызывает разрушения перехода, сопротивление которого восстанавливается с уменьшением тока.

Важным параметром тиристора является отпирающий ток (напряжение) управления – ток управляющего электрода УЭ, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. Для запирания тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие еще и выпрямительными свойствами, широко применяются в управляемых выпрямителях, преобразователях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Номинальные значения токов у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5000 А, а номинальные значения напряжений в закрытом состоянии – до 5000 В.

7. Схемы выпрямления и усиления электрических сигналов, построенные на полупроводниковых приборах

7.1. Выпрямительные устройства

Выпрямительные устройства могут быть управляемые и неуправляемые. Первые построены на тиристорах, вторые – на полупроводниковых диодах.

По числу фаз источника различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямительные устройства, по схемотехническому решению – с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые.

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д.

При относительно небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) задачу преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в постоянный решают с помощью однофазных выпрямителей.

7.1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

В общем случае структурная схема выпрямителя содержит трансформатор, выпрямительные диоды, сглаживающий фильтр и стабилизатор выпрямленного напряжения. Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение приемника при изменении напряжения сети.