В прежних уроках мы выяснили, что материалы по величине электрической проводимости делятся на проводники (как правило металлы или электролиты), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).
Но явной границы между этими 3 группами материалов нет, ниже это иллюстрируется рисунком.
При этом если ртути, железу, серебру, кварцу и янтарю свойственно вполне определенное значение удельного сопротивления (величина, обратная проводимости), для кремния, германия, селена, оксида меди, слюды, эбонита, стекла и керамики значения удельного сопротивления меняются в широких пределах, что определяется в основном степенью чистоты материала (наличием примесей).
Два типа проводимости
В металлах проводимость обеспечивается электронами, а вот в полупроводниках, в зависимости от материала примеси - как электронами (тогда полупроводник называется полупроводником n-типа, от negative=отрицательный), так и совершенно удивительным образом - перемещающимися "дырками".
Дырка - это место, в котором электрон отсутствует. Это место, или дырка, способно перемещаться по полупроводнику так же, как и электроны, но дырка считается заряженной положительно, а полупроводник с избытком дырок - полупроводником p-типа (от positive=положительный).
Представить себе движение дырки очень легко. Некий слушатель концерта, чье место в самом конце ряда (оно пустое, там дырка), подходит к началу ряда, и просит всех зрителей (или слушателей) подвинуться. Зритель, сидящий на предпоследнем месте, садится в пустое крайнее кресло, что означает перемещение дырки на 1 место к началу ряда. И так далее, пока не освободится первое место в ряду, которое и занимает опоздавший зритель. Со стороны это будет выглядеть как перемещение дырки с с последнего места к первому.
Полупроводники замечательны тем, что в чистом виде (получение которого сложнейший технологический процесс) обладают очень низкой проводимостью, а в зависимости от вида добавленной в него примеси (в ничтожном количестве, обычно в пределах 1 атом примеси на 100 тысяч - 10 миллионов атомов полупроводника), приобретает электронную или дырочную проводимость.
Устройство и принцип работы полупроводникового диода
Именно таким образом создается полупроводниковый диод. В кристалле чистого полупроводника (обычно германия или кремния) путем внесения примесей создается p-область и n-область. На границе областей возникает т.н. p-n переход. При приложении к p-n переходу постоянного напряжения он, в отличие от проводника, ведет себя по разному в зависимости от полярности приложенного напряжения.
Если плюс источника приложен к p-области, а минус к n-области, то электроны из n-области стремятся к плюсу, а дырки из n-области к минусу источника питания. На пограничном слое между p- и n- областями эти носители зарядов рекомбинируют (от англ. "новое сочетание"), что всего лишь означает, что электрон занял место дырки, и электронно-дырочная пара "гибнет". Процесс непрерывно продолжается, и возникает т.н. прямой ток через диод. Чем больше напряжение, тем больше и ток.
При переполюсовке источника питания электроны и дырки покидают пограничную область, уже не стремятся друг к другу, а разбегаются в разные стороны. Толщина пограничного слоя увеличивается, через p-n переход протекает очень слабый ток (в отличие от прямого тока, называющийся обратным током), исчисляющийся микроамперами, при этом у кремниевых диодов обратный ток значительно ниже обратного тока германиевых диодов. Сказанное поясняется рисунком ниже.
На рисунке ниже изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) п/п диода. Обратите внимание, что масштаб по оси тока разный для прямой и обратной ветви ВАХ.
Очень условно можно считать, что при прямом напряжении ниже порогового напряжения, или напряжения отсечки (оценка U отс поясняется рисунком) диод тока не проводит. Это напряжение составляет для германиевых диодов 0,15-0,20 В, для кремниевых 0,6-0,8 В. С ростом температуры напряжение отсечки уменьшается.
Разница в напряжении отсечки и обратном токе определяет области применимости 2 типов диодов в разных схемах.
При некотором обратном напряжении (напряжении пробоя U проб) диод начинает проводить значительный ток - это режим лавинного пробоя. Лавинный пробой может происходить в обратимом и необратимом режимах. Обратимый режим лавинного пробоя лежит в основе работы особого типа п/п диода - стабилитрона (диода Зенера), о чем будет сказано в Уроке 10.
Обратный ток п/п диода резко увеличивается с ростом температуры, примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов при повышении температуры на 10°C.
Однополупериодный выпрямитель
По условному обозначению п/п диода очень легко понять, что ток проходит в направлении стрелки (не забыли, что в технике считается, что ток течет от положительного полюса (+) к отрицательному (-)).
Свойство диода пропускать ток преимущественно в одном направлении широко используется в схемотехнике. Зачастую возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный, например в блоках питания РЭА на транзисторах и/или интегральных микросхемах (ИС), зарядных устройствах (ЗУ) для аккумуляторов - автомобильных, электросамокатов или мобильных телефонов.
Схемы выпрямителей встречаются самые разнообразные, но все они сводятся к нескольким основным типам, которые надо уметь распознавать на принципиальных схемах. Начнем с самой простой схемы - схемы однополупериодного выпрямителя на одном диоде. Схема приведена ниже, совместно с силовым трансформатором Тр и предохранителем Пр.
R н - сопротивление нагрузки, для начала рассматриваем работу схемы с чисто активным сопротивлением нагрузки.
Функция предохранителя понятна - перегореть и обесточить схему при коротком замыкании или перегрузке. Трансформатор преобразует переменное напряжение питающей сети (обычно 220 В) на входе схемы к необходимому для питания выпрямителя U перем. Тут и возникает главный вопрос - нас интересует постоянное напряжение на выходе схемы U пост, каково должно быть напряжение U перем, чтобы обеспечить требуемое напряжение на выходе?
Само собой напрашиваемый и зачастую приводимый ответ "Чтобы получить 12 В выпрямленного напряжения, надо выпрямить 12 В переменного" в корне неверен, зависимость выпрямленного напряжения на выходе от переменного на входе сложная и отличается для каждой отдельной схемы выпрямителя, и существенно зависит от характера нагрузки - активной, индуктивной, емкостной, на противоЭДС, от сочетания всех этих форм нагрузки.
Для вышеприведенной схемы однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой напряжение на выходе равно 0,45 от действующего (эффективного) переменного напряжения на входе, т.е. U пост = 0,45 * U перем. При подаче на вход выпрямителя переменного напряжения 12 В на выходе получаем 5,4 В.
Но это в идеальном случае, по факту выходное напряжение несколько ниже за счет потерь напряжения на диоде, потерь на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора и прочих потерь, и понижается при увеличении потребляемого тока.
На рисунке ниже форма выпрямленного напряжения, исходя из того, что на выход проходит всего 1 полуволна синусоидального напряжения на входе выпрямителя.
Среднее напряжение на выходе (т.е. постоянная составляющая выходного напряжения, определяется площадью положительных полуволн синусоиды, и составляет именно 0,45 от действующего (эффективного) значения переменного напряжения.
При этом еще раз - нагрузка на выпрямитель чисто активная - лампочка накаливания, нагревательный элемент. Ввиду огромных пульсаций выпрямленного напряжения использовать выходное напряжение для питания РЭА невозможно - усилитель НЧ будет "фонить", генераторы колебаний промодулируются частотой сети, электромагниты будут дребезжать.
Однополупериодный выпрямитель с конденсатором на выходе
Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя параллельно активной нагрузке включают конденсатор фильтра Cф. Впрочем, общепринятое название "конденсатор фильтра" не отражает функцию конденсатора, активно влияющего на режим работы выпрямителя, при этом "фильтрация" выпрямленного напряжения оказывается побочным действием. Настоящие фильтры ставятся после выпрямителя с конденсатором на выходе, их назначение и состоит в снижении пульсаций до приемлемых.
Схема однополупериодного выпрямителя с конденсатором ниже. Реактивное сопротивление конденсатора на частоте пульсаций (равной частоте сети, или 50 Гц для однополупериодного выпрямителя) значительно меньше активного сопротивления нагрузки.
В данной схеме выпрямителя напряжение на нагрузке уже не равно 0,45 U перем, а выше, и определяется частотой сети, емкостью конденсатора Cф, сопротивлением нагрузки, и при очень большой емкости конденсатора поднимается до амплитуды переменного напряжения 1,41* U перем. Обычно же расчет ведется таким образом, что оба напряжения одного порядка.
Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя уменьшается с увеличением емкости фильтра.
Для дальнейшего уменьшения пульсаций после выпрямителя включают известные нам по предыдущим урокам RC- фильтры (Урок 4) или LC-фильтры (Урок 5) с частотой среза значительно меньше частоты пульсаций выпрямленного напряжения.
Детекторный каскад на одном диоде
Присутствующий в каждом радиовещательном или телевизионном приемнике детекторный каскад также является выпрямителем, как правило, однополупериодным. Приведем еще раз схему детекторного приемника из предыдущего Урока 7.
Емкость конденсатора С2 выбирается достаточно большой, чтобы отфильтровать проходящие через паразитную емкость детектора колебания ВЧ. В то же время она должна быть ограничена условием передачи на нагрузку (головные телефоны BF1) высших частот сигнала НЧ, достаточных для восприятия сообщения.
В отличие от однополупериодного выпрямителя, где напряжение отсечки диода значительно меньше выпрямленного напряжения, в детекторном каскаде диод работает на начальном участке характеристики, и коэффициент передачи диодного детектора уменьшается при уменьшении входного напряжения, достигая предельного значения 0,8-0,9 лишь при сигнале на входе 300 мВ. Для повышения коэффициента передачи в диодных детекторах применяют германиевые транзисторы или диоды Шоттки с малым прямым падением напряжения.
Схемы прочих выпрямителей (двухполупериодного, мостового, с умножением напряжения, схемы Ларионова) будут рассмотрены в последующем уроке 9.
Схемотехника для начинающих