Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Инструкция'
соответствующую профессиональную подготовку, в том числе по вопросам охраны труда, имеющие свидетельство (удостоверение) установленного образца о прис...полностью>>
'Решение'
Постоянно действующим Третейским судом при Автономной некоммерческой организации «Центр правозащиты и досудебного урегулирования» под председательство...полностью>>
'Документ'
Открытое акционерное общество «ТРК «ТВТ», именуемое в дальнейшем “ТВТ”, действующее в соответствии с лицензией № 110379 от 23.05.2013 г. на оказание у...полностью>>
'Документ'
наличие квалификационной категории, учёной степени Мобильный телефон Эл....полностью>>

Главная > Исследование

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13

Исследование полупроводниковых выпрямителей

Цель работы:

  1. Изучить свойства маломощных полупроводниковых выпрямителей при одно- и двухполупериодном выпрямлении, путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего амплитудного значений выпрямленного напряжения.

  2. Изучить свойства C- и LC-фильтров при работе в схемах однофазного одно- и двухполупериодного выпрямителей путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего и амплитудного значений напряжения.

1. Указания к работе

Если в кристалле полупроводника существуют области с различным типом проводимости, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или p-n переходом. При отсутствии внешнего напряжения основные носители заряда (электроны в n-области и дырки в p-области) диффундируют из области с одним типом проводимости в другую. Электроны, попадая в область с проводимостью типа p, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Аналогично ведут себя дырки, попадая в область с проводимостью типа n. При уходе основных носителей в полупроводнике остаются нескомпенсированные ионы - положительно заряженные в полупроводнике типа n и отрицательно заряженные в полупроводнике типа p, которые лишены подвижности. Неподвижные разноименные заряды по обе стороны границы раздела создают электрическое поле, его называют диффузионным. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей, поэтому его называют потенциальным барьером. Обеднение области p-n перехода основными носителями зарядов приводит к возрастанию сопротивления этой области, поэтому p-n переход называется еще запирающим слоем (рис. 1,б).

Если к p-n переходу подключить источник энергии положительным полюсом к p области (такое включение называется прямым), то электрическое поле, создаваемое этим источником внутри полупроводника, будет противоположно по направлению диффузионному, в результате чего большее количество основных носителей, чем при равновесном состоянии, перейдут через границу раздела. Так как скорость рекомбинации электронов и дырок конечна, основные носители, перешедшие через границу раздела будут уменьшать толщину запирающего слоя (рис. 1,в) и его сопротивление, в результате чего через p-n переход потечет ток, величина которого будет очень быстро увеличиваться при возрастании приложенного напряжения.

Рис. 1. Распределение носителей при контакте полупроводников с разным типом проводимости


Если источник энергии подключить положительным полюсом к n области (такое подключение называется обратным), то высота потенциального барьера увеличится, т.к. направление поля, создаваемого источником, будет совпадать с направлением диффузионного поля. Основные носители будут уходить от границы слоев (рис. 1,г), а сопротивление запирающего слоя расти. В этих условиях ток через контакт определяется только движением по направлению к контакту неосновных носителей, для которых поля источника энергии и диффузионное являются ускоряющим. Однако концентрация неосновных носителей обычно много меньше концентрации основных, поэтому ток в обратном направлении на много порядков меньше тока в прямом направлении, несмотря на то, что обратное напряжение может достигать нескольких сотен вольт. Следовательно, можно считать, что электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью электрического тока.

Чрезмерное увеличение обратного напряжения приводит к пробою p-n перехода. Сущность пробоя заключается в том, что не основные носители, двигаясь в сильном электрическом поле, могут приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника, в результате которой происходит умножение носителей в переходе и резкое увеличение обратного тока; p-n переход теряет при этом свойство односторонней проводимости.

Существование в определенном диапазоне напряжений свойства односторонней проводимости позволяет рассматривать p-n переход как нелинейный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. При увеличении прямого напряжения сопротивление p-n перехода уменьшается, при изменении полярности приложенного напряжения сопротивление p-n перехода резко возрастает. Нелинейные свойства p-n переходов лежат в основе работы полупроводниковых диодов или вентилей, которые используются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный, называемых выпрямителями.

Рис. 2

Основными электрическими параметрами вентилей, характеризующими их качество и возможность работы в том или ином устройстве, являются максимальный выпрямленный ток Im выпр., максимальное допустимое обратное напряжение Um обр. доп., амплитуда обратного тока при максимальном допустимом напряжении Im обр., прямое падение напряжения при максимальной величине выпрямленного тока Uпр.. Вентили высокого качества должны пропускать большой выпрямленный ток при малом падении напряжения в прямом направлении и малый обратный ток при высоком обратном напряжении.

Условное графическое изображение вентиля приведено на рис. 2.

Рис. 3

Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа p, маркируется знаком + и называется анодным. Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа n, называется катодным.

Рис. 4

Выпрямитель состоит из четырех основных элементов: силового трансформатора, который трансформирует напряжение сети до величины, необходимой для получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя; системы вентилей, преобразующих переменный ток в постоянный; сглаживающего фильтра, который уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя; стабилизатора, который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменениях напряжения сети или сопротивления нагрузки. В зависимости от требований, предъявляемых к выпрямителю условиями работы нагрузки, сглаживающий фильтр и стабилизатор могут отсутствовать.

Простейшим однофазным выпрямителем является однополупериодный, схема которого представлена на рис. 3.

Если вентиль идеальный (его сопротивление в прямом направлении Rпр=0, а в обратном Rобр=), то при синусоидально изменяющемся вторичном напряжении трансформатора u2, ток в резисторе Rн появится только в те полупериоды напряжения u2, когда потенциал точки 1 будет положителен относительно точки 2, т.к. при таком напряжении вентиль открыт (рис.3). Когда потенциал точки 1 относительно точки 2 отрицательный, вентиль закрыт и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора и в цепи нагрузки равен нулю. Таким образом, ток в резисторе пульсирует и появляется только в один из полупериодов напряжения u2.

Т.к. сопротивление вентиля в прямом направлении Rпр=0, в положительный полупериод напряжения падение напряжения на вентиле и как следует из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки u2 = uн. В отрицательный полупериод напряжения u2, ток нагрузки iн=0 (рис. 4) и, как вытекает из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки трансформатора, uобр.=u2, а максимальное значение обратного напряжения Um обр.=U2m. Выпрямители характеризуются средними выпрямленными значениями напряжений и токов, т.е. средними арифметическими значениями из всех их мгновенных значений за период:

.

(1)

После интегрирования получим:

.

(2)

Аналогично для тока:

.

(3)

Переходя от амплитудного значения напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора к действующему, будем иметь:

.

(4)

Действующее значение выпрямленного тока - среднее квадратичное его значение за период, т.е.

=,

(5)

т.к. ток во вторичной обмотке трансформатора и через вентиль протекает в течение только одного полупериода, верхний предел интегрирования будет равным Т/2.

После интегрирования получим:

.

(6)

Совместное решение уравнений (3) и (6) относительно (1) дает:

.

(7)

Электрические параметры выпрямителей определяют выбор вентилей для них. Выпрямители надежно работают только в том случае, когда параметры вентилей превышают параметры выпрямителей. Поэтому при подборе вентиля для выпрямителя необходимо, чтобы его максимальное допустимое обратное напряжение Um.обр.доп. (приводится в паспорте вентиля) было больше расчетного значения обратного напряжения, т.е. должно выполняться условие Um.обр.допUm.обр.=U2m, а с учетом соотношения (2):

.

(8)

Необходимо также, чтобы максимальное значение выпрямленного тока вентиля (приводится в паспорте вентиля) было больше расчетного значения, т.е. должно выполняться условие:

.

(9)

Из рис. 4 видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума один раз за период. Следовательно, частота пульсации напряжения на нагрузочном резисторе в однополупериодной схеме равна частоте источника энергии. Большая пульсация выпрямленного напряжения является одним из основных недостатков однополупериодного выпрямителя. Другим - недостаточное использование трансформатора по току, т.к. среднее значение выпрямленного тока, как видно из уравнения (7), значительно меньше действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 5

Указанных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители, в которых используются оба полупериода напряжения источника энергии. Наиболее распространенная мостовая схема двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 5.

Здесь к одной диагонали моста, образованного вентилями В14, подведено переменное напряжение, а к другой подключен нагрузочный резистор Rн. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2, вентили В1 и В2 открыты и в нагрузке возникает ток iн (на схеме показан ). Вентили В3 и В4 в это время закрыты. Когда потенциал точки 1 отрицателен относительно точки 2 (на схеме полярность взята в скобки), вентили В3 и В4 открываются и в резисторе Rн протекает ток того же напряжения, что и в первом полупериоде рис.5 (на схеме показан  ). Вентили В1 и В2 в это время закрыты.

Рис. 6

Т.к. сопротивление проводящих вентилей проводящих вентилей в прямом направлении Rпр=0, то в положительный полупериод напряжения u2, падения напряжения на них uпр = iвRпр =0 и из второго закона Кирхгофа для контура, образованного вторичной обмоткой трансформатора, проводящими вентилями (например В1 и В2) и нагрузочным резистором Rн, следует, что uн=u2. Такое же напряжение будет действовать на нагрузке и во второй полупериод, когда откроются вентили В3 и В4. Очевидно, что среднее значение выпрямленного напряжения в случае двухполупериодного выпрямления будет в два раза выше по сравнению с однополупериодным, т.е.

. (10)

Аналогичное выражение можно записать и для среднего значения выпрямленного тока:

.

(11)

Переходя от амплитудного значения напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора к действующему, будем иметь:

.

(12)

Т.к. падение напряжения на проводящих вентилях равно нулю, то, как следует из второго закона Кирхгофа для контура образованного вторичной обмоткой трансформатора, проводящим вентилем (например В1) и непроводящим вентилем (например В4), непроводящий вентиль оказывается под напряжением u2, которое приложено в обратном направлении, а его максимальное значение Um обр.=U2m.

Действующее значение тока, проходящего через каждый вентиль моста, можно определить совместным решением уравнений (6) и (11), т.к. каждое плечо моста можно рассматривать как однополупериодный выпрямитель:

.

(13)

При подборе вентилей для работы в мостовых схемах также, как и в однополупериодных, максимальное допустимое обратное напряжение Um.обр.доп должно быть больше расчетного значения обратного напряжения, т.е. выполняться условие Um.обр.допUm.обр.=U2m, а с учетом соотношения (10):

.

(14)

Максимальное значение выпрямленного тока должно быть больше расчетного значения, т.е.

.

(15)

Из рис.6 видно, что напряжение на нагрузочном резисторе Rн достигает максимума два раза за период. Следовательно, частота пульсации напряжения на нагрузке в мостовой схеме равна удвоенной частоте сети.

Наличие значительных пульсаций выпрямленного напряжения у однофазных выпрямителей ухудшает работу потребителей. Например, при питании двигателей постоянного тока пульсирующим напряжением увеличиваются потери в двигателях. При питании радиоаппаратуры пульсация напряжения ухудшает ее работу, создавая на выходе усилителей фон.

Рис. 7

Для уменьшения пульсации напряжения у потребителя на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром, основное назначение которого уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, включаемый параллельно приемнику выпрямленного напряжения. При таком включении конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения u2 в моменты времени, когда напряжение u2 превышает напряжение на конденсаторе (интервал времени t1-t2 на рис. 7). В течение интервала времени t2-t3 напряжение uc-u2 вентиль закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор Rн. С момента времени t3 процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение uн не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.



Похожие документы:

  1. 14Лабораторная работа 22 ( Lr 22) ОДНОФАЗНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование

    Документ
    ... работа 22 (Lr22) ОДНОФАЗНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование однофазных одно- и двухполупериодных схем ... Фурье, Тогда коэффициент пульсации Однофазные полупроводниковые выпрямители используют для питания устройств, требующих ...
  2. Учебное пособие предназначено для обучающихся среднего профессионального образования заведений по направлениям подготовки «150709,02 Сварщик электросварочных и газосварочных работ» «130405,

    Методические указания
    ... ? 134 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Ознакомление с устройством и принципом работы ...
  3. Исследование зависимости сопротивления примесного полупроводника от температуры и определение энергии активации электронов цель работы: исследовать зависимость сопротивления металла от температуры и определить температурный коэффициент сопротивления,

    Исследование
    ... СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИМЕСНОГО ... полупроводники используются в качестве выпрямителей и усилителей тока. ... ). Примесные полупроводники, используемые в полупроводниковых приборах – диодах и транзисторах, ...
  4. Исследование тензометрических измерительных преобразователей (тензодатчиков)

    Исследование
    ... ) 1. Цель работы. Исследование основных характеристик наклеиваемых тензометрических датчиков ... 20 - 22, для полупроводниковых мате­риалов достигает значений от ... питания моста является стабилизированный выпрямитель с постоянным выходным напряжением ...
  5. Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий рабочих (3)

    Документ
    ... заказчика. Тренировка приборов в различных режимах. Исследование электрическими методами процессов полимеризации сложных ... допусков на пленочные покрытия, квалитеты полупроводниковых выпрямителей; назначение операции нанесения кадмия, висмута ...

Другие похожие документы..