Полупроводники

1.

Диод
Двухэлектродный электронный элемент, обладающий
различной проводимостью в зависимости от
направления электрического тока

2.

Диод
Полупроводниковый
Неполупроводниковый
Вакуумный
Газонаполненный

3.

Вакуумный диод

4.

Полупроводниковый диод
Структура полупроводникового диода с р-n-переходом:
1 - кристалл; 2 - выводы (токоподводы); 3 - электроды
(омические контакты); 4 - плоскость р-n-перехода.

5.

Полупроводниковый диод
p-n-переход - область пространства на стыке двух
полупроводников p- и n-типа, в которой происходит
переход от одного типа проводимости к другому

6.

Полупроводниковый диод
Прямое смещение - внешнее напряжение
противоположно направлению поля между областями
пространственного заряда, ток с напряжением
Обратное смещение - внешнее напряжение одного
направления с полем между областями пространственного
заряда, ток через p-n-переход не идёт.

7.

Вольт-амперная характеристика диода

8.

Диоды

9.

Основные параметры диодов
Постоянный обратный ток диода (Iобр)
значение постоянного тока, протекающего через диод в
обратном направлении при заданном обратном
напряжении
Постоянное обратное напряжение диода (Uобр)
значение постоянного напряжения, приложенного к
диоду в обратном направлении
Постоянный прямой ток диода (Iпр)
значение постоянного тока, протекающего через диод в
прямом направлении
Постоянное прямое напряжение диода (Uпр)
значение постоянного напряжения на диоде при
заданном постоянном прямом токе

10.

Основные параметры диодов
Допустимая рассеиваемая мощность (Рmах)
определяется тепловым сопротивлением диода (Rт),
допустимой температурой перехода (Тп mах) и
температурой окружающей среды (То)
Максимально допустимый прямой ток

11.

Основные параметры диодов
Обратное максимально допустимое напряжение
(Uобр. mах) для различных типов диодов может
принимать значения от нескольких единиц до десятков
тысяч вольт, ограничивается пробивным напряжением
Uобр.max < 0.8 Uпр
Дифференциальное сопротивление равно отношению
приращения напряжения на диоде к вызвавшему его
малому приращению тока через диод:

12.

Выпрямители
Устройство, предназначенное для преобразования
переменного входного электрического тока в
постоянный выходной электрический ток

13.

Однополупериодный выпрямитель
Диод пропускает ток только в одном направлении и,
таким образом, он и осуществляет выпрямление
переменного тока. При этом ток во вторичной обмотке
трансформатора протекает не более половины периода
фазного напряжения

14.

Однополупериодный выпрямитель
Временные диаграммы токов и напряжений в
однополупериодной схеме выпрямления

15.

Однополупериодный выпрямитель
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения
k равен отношению амплитуды низшей гармоники к
значению постоянной составляющей Uо
k = π/2 = 1,57
Максимальное значение обратного напряжения равно
амплитуде вторичного напряжения
Uобр = Um

16.

Однополупериодный выпрямитель
- большая величина пульсаций
- сильная нагрузка на вентиль
- низкий коэффициент использования габаритной
мощности трансформатора
+ экономия на количестве вентилей.

17.

Двухполупериодный выпрямитель
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
содержит два диодаи использует трансформатор,
имеющий вывод средней точки вторичной обмотки.
Нагрузка подключается между общей точкой диодов и
средней точкой вторичной обмотки трансформатора

18.

Двухполупериодный выпрямитель
Временные диаграммы токов и напряжений в
двухполупериодной схеме выпрямления

19.

Двухполупериодный выпрямитель
Коэффициент пульсации
выпрямленного напряжения k равен
k = 2/3 = 0,66
Среднее значение выпрямленного напряжения в 2 раза
больше, чем в однополупериодной схеме:
Uо = 2U/ π

20.

Двухполупериодный выпрямитель
- сложный трансформатор
- выше стоимость
+ ниже коэффициент пульсации
+ в два раза больше мощность, отдаваемая в нагрузку

21.

Мостовая схема выпрямления
Схема состоит из четырех диодов, образующих
выпрямительный мост. Одна диагональ моста
подключается к вторичной обмотке трансформатора, а ко
второй диагонали, с которой снимается выпрямленное
напряжение, подключается нагрузка

22.

Мостовая схема выпрямления
Временные диаграммы токов и напряжений в
двухполупериодной схеме выпрямления

23.

Мостовая схема выпрямления
Коэффициент пульсации
выпрямленного напряжения k равен
k = 2/3 = 0,66
Среднее значение выпрямленного напряжения в 2 раза
больше, чем в однополупериодной схеме:
Uо = 2U/ π

24.

Мостовая схема выпрямления
- удвоенное количество диодов
- ниже КПД
+ более простой, а значит, более дешевый трансформатор
+ обратное напряжение в 2 раза ниже, чем в схеме
двухполупериодного выпрямления со средней точкой

25.

Сглаживающие фильтры
Во время действия полуволны напряжения происходит
заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя)
от источника – выпрямителя, и их разряд на нагрузку
во время отсутствия, либо малого по амплитуде
напряжения.

26.

Сглаживающие фильтры
Для оценки эффективности действия фильтра
вводится коэффициент сглаживания
kп = U1/U0
Коэффициент пульсации
выпрямителя без фильтра
kп ‘= U1 ‘/U0’
Kоэффициент пульсации
на выходе фильтра
U 0/ U1
kсгл
/ kф
U 0 U1

27.

Индуктивный фильтр
Lф
u1= U1sinωt
~
RН
U0
U 1/
=
Индуктивный фильтр показан
для однополупериодного выпрямителя,
емкостной будет приведен
для мостовой схемы выпрямления

28.

Индуктивный фильтр
Амплитуда первой гармоники на нагрузочном резисторе
U1/
U1
R ( L Ô )
2
H
2
RH
Коэффициент сглаживания
U1
k сгл k ф /
U1
RH2 ( Lф ) 2
RH
Индуктивность из заданного коэффициента
RH
Lф
k
2
сгл
1

29.

Емкостной фильтр
Жидкость поступает не
непрерывно, а с некоторыми
промежутками (например,
наливаем по ведру воды)
Вытекает она примерно
равномерно, то есть
периодический входящий
сигнал мы практически
сгладили до постоянного
выходного.

30.

Емкостной фильтр
Т
VD1
VD4
u1
u2
VD3
VD2
C
Rн
Источник постоянного напряжения U0 (постоянная
составляющая выпрямленного напряжения),
u1 = U1sin(ωt) - амплитуда низшей гармоники пульсаций
выпрямленного напряжения

31.

Емкостной фильтр
u2
0
π
π
3
π
4
π
ω
t
UC
U
U0
0
i
0
2
δUC
Umin
Umax
ωt
2Θ
2Θ
ωt
Временные диаграммы емкостного фильтра

32.

Емкостной фильтр
Емкость конденсатора фильтра С выбирается такой, что
Xc = 1/ωC << RH
Ток разрядки конденсатора равен среднему
выпрямленному току
I0 ≈ Iср = U0 / RH, т.е. U0 = I0RH

33.

Емкостной фильтр
Коэффициент пульсаций
Um
1
k
U 0 4 СfR H
/
п
Коэффициент сглаживания
kп
k сгл / 0,66 4 СfRН 2,64 СfRН
kп
Емкость из заданного коэффициента пульсации
1
С
4 fRH k П

34.

Индуктивно-емкостной фильтр
Lф
u1
~
С
U0
RН
u1*
=
Он же Г-образный фильтр.
Индуктивность подключена к сопротивлению
последовательно, емкость – параллельно

35.

Индуктивно-емкостной фильтр
Активное сопротивление индуктивности и емкости
1
Z 2
j C
RH
1
RH
1 j CRH
Переменное напряжение u*,
создаваемое входным напряжением u1
и снимаемое с параллельного включения RH и С
Z2
u* u1
Z1 Z 2

36.

Индуктивно-емкостной фильтр
Коэффициент сглаживания фильтра
u1
Z1 Z 2
Z1
k сгл k ф
1
Z2
Z2
u
Если ωСRH >> 1, то
коэффициент сглаживания примет упрощенный вид
kсгл = |1 – ω2LC| = ω2LC – 1
1
C
R H
k сгл 1
LC
2

37.

П-образный фильтр
L
U0 + u1
С1
С2
RН
U0 + u*
Фильтр можно представить как двухзвенный, состоящий
из емкостного фильтра с конденсатором С1 и
индуктивно-емкостного LC2

38.

П-образный фильтр
Коэффициент сглаживания фильтра
kсгл = kсгл1 ∙ kсгл2,
то есть
kсгл1 = 2,64CfRH,
kсгл2 = ω2LC – 1 = 39,4f 2CL – 1
kсгл = 2,64CfRH ∙ (39,4f 2CL – 1)

39.

Схема удвоения напряжения
c
VD2
I0
b
+
С1 –
С2
VD1
U2=U2m sinωt
–
+
(+)
(–)
U1=U1m sinωt
+ iC2
–
a
RH

40.

Схема удвоения напряжения
c
VD2
I0
b
+
С1
–
С2
VD1
U2=U2m sinωt
–
+
(+)
(–)
+ iC2
–
RH
a
Часть схемы, состоящая из вторичной обмотки
трансформатора, вентиля VD1 и конденсатора С1,
представляет собой однополупериодный выпрямитель с
емкостной нагрузкой.
Конденсатор заряжается до
U1=U1m sinωt
значения напряжения вторичной обмотки U2m

41.

Схема удвоения напряжения
c
VD2
I0
b
+
С1 –
С2
VD1
U2=U2m sinωt
–
+
(+)
(–)
+ iC2
–
RH
a
Если к точкам a и b подключить следующий участок
схемы, то конденсатор С2 может зарядиться до
максимального напряжения 2∙U2m. Таким образом, между
a и с будет напряжение,
равное удвоенной амплитуде
U1=U1m sinωt
вторичного напряжения трансформатора.

42.

Схема удвоения напряжения
u
Т = 1/f
U2m
U2
t
0
u
∆U
δU
UC2
2U2m
U0
U2m
0
i
0
i
0
Umin
UC1
t4
t1
t2
iC2
Umax
t3
t4
t1
t
I0
t
iC1
t

43.

Схема умножения напряжения
VD1
VD1'
С1'
С1
VD2
RH
VDn
Сn'
VDn'
U2=U2m sinωt
U1=U1m sinωt
Сn
IRн

44.

Светодиод
Полупроводниковый прибор с электронно-дырочным
переходом, создающий излучение при пропускании
через него электрического тока в прямом направлении

45.

Принцип работы светодиода

46.

Условия работы светодиода
1. Чтобы p-n-переход стал излучать свет,
ширина запрещенной зоны в активной области
светодиода должна быть близка к энергии
квантов света видимого диапазона.
2. Полупроводник должен содержать мало
дефектов, из-за которых рекомбинация
происходит без излучения.

47.

Вольт-амперная характеристика светодиода

48.

Ограничение тока через светодиод
Имеется светодиод
с рабочим напряжением
3 вольта
и рабочим током 20 мА.
Необходимо
подключить его
к источнику
с напряжением 5 вольт.

49.

Конструкция светодиодов

50.

Конструкция светодиодов

51.

Параметры светодиодов
Яркость отношение
силы света к
площади
светящейся
поверхности
(измеряется в
канделах на
квадратный
метр).

52.

Параметры светодиодов
Спектральная
характеристика
светодиода
выражает
зависимость
интенсивности
излучения от
длины волны

53.

Цвет светодиодов

54.

RGB-светодиоды

55.

RGB-светодиоды
Ured = 2.0 Вольт
Ugreen = 3.5 Вольт
Ublue = 3.5 Вольт

56.

Параметры светодиодов
Угол
рассеивания
излучения
светодиода

57.

Параметры светодиодов
Тип корпуса

58.

Достоинства светодиодов
1. Высокая механическая прочность
2. Безынерционность
3. Миниатюрность
4. Долговечность
5. Высокий КПД
6. Низкое энергопотребление
7. Большое количество различных цветов
8. Направленность излучения
9. Регулируемая интенсивность

59.

Недостатки светодиодов
1.Относительно высокая стоимость.
Отношение деньги/люмен для обычной лампы
накаливания по сравнению со светодиодами
составляет примерно 100 раз
2. Малый световой поток от одного элемента
3. Деградация параметров светодиодов со
временем
4. Повышенные требования к источнику питания

60.

Фотодиод
Приёмник оптического излучения, который
преобразует попавший на него свет в электрический
заряд за счёт процессов в p-n-переходе

61.

Фотодиод
Устройство для сглаживания пульсаций после
выпрямления переменного тока

62.

Вольт-амперная характеристика фотодиода

63.

Световая характеристика
Зависимость фототока от мощности падающего потока

64.

Спектральная чувствительность
Подбором полупроводников и концентрацией
примесей можно обеспечить узкий диапазон
воспринимаемого света