1. Полупроводниковый  pn переход и его  свойства

      Если в полупроводниковом кристалле  контактируют области с разным  типом проводимости (p- и n-типа), то между ними также возникает потенциальный барьер, так называемый электронно-дырочный переход или pn-переход. Рассмотрим как он появляется и каковы его физические свойства. При возникновении контакта двух полупроводников, в одном из которых высока концентрация дырок (p-тип), а в другом - свободных электронов (n-тип) вследствие теплового движения начинается диффузия основных носителей заряда из "родного" полупроводника в соседний, где концентрация таких частиц во много раз меньше. Дырки переходят из p-полупроводника в n-полупроводник, электроны - из n- в p-полупроводник. В результате диффузии электронов из n-области в дырочную и дырок из p-области в электронную на границе между этими областями образуется двойной слой разноименных зарядов, и, следовательно, контактная разность потенциалов, которая в случае pn-перехода выше, чем на контакте “металл-полупроводник” и составляет 0,4...0,8В. При прямом смещении, когда положительный потенциал подан на p-область, дырки устремляются навстречу электронам, которые, преодолевая пониженный потенциальный барьер в области pn-перехода попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого "чужие" носители заряда не проникают глубь полупроводников, погибая в области pn-перехода.

    Для pn-перехода прямая ветвь ВАХ pn-перехода такая же, как и в предыдущем случае. В области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико, ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок 0A прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон. При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает (участок AB на ВАХ). Для одного и того же полупроводникового материала основное отличие ВАХ контакта "металл-полупроводник" и pn-перехода заключается в том, что высота потенциального барьера pn-перехода обычно больше, чем у барьера Шоттки и точке А соответствует большее напряжение. При обратном смещении pn-перехода основные носители заряда оттягиваются от pn-перехода, высота потенциального барьера для них повышается (см. рис.), поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.

2. Полупроводникые  диоды, их свойства  и область применения.

      Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами.

    К полупроводниковым веществам относятся  вещества, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление ρ больше, чем проводники .

    Силовые полупроводниковые вентили (диоды) используются в мощных выпрямительных устройствах, рассчитанных на токи от нескольких десятков до нескольких сотен  ампер.

    В основу полупроводниковых диодов положен p-n переход, расположенный на границе  раздела двух полупроводников с  различными типами проводимости (электронной  n и дырочной p), электрическое сопротивление которого зависит от величины и полярности подведенного к нему напряжения.

    В качестве исходного материала для  изготовления p-n перехода используют тонкие пластины из монокристалла германия и кремния с электронной проводимостью. Методами сплавления или диффузии создается  двухслойная структура полупроводников.

    В областях полупроводников, примыкающих  к электронно-дырочному переходу, возникает различная концентрация электронов и дырок, что и обуславливает  одностороннюю проводимость перехода.

    Силовые полупроводниковые диоды в настоящее  время изготавливаются преимущественно  из кремния, так как они могут  работать при более высоких температурах, имеют меньшую стоимость и  характеризуются более высоким  пробивным напряжением и меньшим  обратным током, по сравнению с германиевыми полупроводниковыми диодами, которые применяются  главным образом для выпрямительных установок, когда необходимо обеспечить минимальное значение падения напряжения в проводящем прямом направлении. Величина этого напряжения для германиевых диодов обычно не превышает 0,4-0,5 В, для кремниевых полупроводниковых диодов оно составляет 0,7-1,0 В. В выпрямительных установках иногда применяются селеновые и меднозакисные полупроводниковые диоды, которые дешевле германиевых и кремниевых, однако имеют невысокие эксплуатационные характеристики, что существенно ограничивает область их применения.

    Основными характеристиками силовых полупроводниковых  диодов являются: номинальный прямой ток (среднее значение тока) Iном; максимально допустимый прямой ток Im; номинальное падение напряжения ∆Uном  на диоде, соответствующее номинальному прямому току вентиля; допустимое обратное напряжение Uобр.ном; обратный ток вентиля Iобр при Uобр.m и температуре +20 ⁰С.

3. Принцип действия  транзистора

    Упрощенная  схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

    Биполярный  транзистор состоит из трех различным  образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

    В активном режиме работы транзистор включён  так, что его эмиттерный переход  смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в  обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора^[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

4. Схема с общей базой:

    В схеме с общей базой входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение u_ЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение u_КБ - к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (u_ЭБ<0; u_КБ>0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора.

    Такая схема включения не дает значительного  усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется  она не так часто, как схема  ОЭ.

    Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

    т.к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера

5. Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой:

    6. Коэффициент усиления по мощности k_p=k_i · k_u. Поскольку , то .

7. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

    Каскад  с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам - высокий коэффициент усиления.

    Рассмотрим  работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной  ток протекает через переход "база-эмиттер" транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В  цепи эмиттера транзистора протекает  ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через  него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей  входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в  цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока. 

    Коэффициент усиления по току k_i – это отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

     .

    8. Коэффициент усиления каскада по напряжению

    равен отношению амплитудных или действующих  значений выходного и входного переменного  напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер U_б-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки U_R, что соответствует напряжению между коллектором и эмиттером U_к-э:

    9. Коэффициент усиления каскада по мощности k_p представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

    поэтому

10. Схема с общим коллектором (ОК)

    Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон. . Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. 

    Коэффициент усиления по току каскада ОК определяется по формуле:

    и имеет почти такое значение, как  и в схеме ОЭ.

    Отношение – есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

    11. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

    12. Коэффициент усиления по мощности .

13. Однополупериодный выпрямитель принцип работы

    Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее и назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности. Наиболее часто в выпрямителях применяются полупроводниковые диоды. Принцип выпрямления переменного напряжения основан на нелинейной ВАХ полупроводникового диода, у которого сопротивление в прямом и обратном включении p-n-перехода сильно отличаются. Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные. Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде. 

    Рис. 1 - Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы

    Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные  и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней  проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для  схемы характерны следующие параметры:

    Среднее значение выпрямленного напряжения: 
 
Действующее значение входного напряжения 
 
Среднее значение выпрямленного тока: 
 
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора: 
 
Коэффициент пульсаций 

    К достоинствам схемы можно отнести  простоту конструкции. Недостатки - большие  пульсации, малые значения выпрямленного  тока и напряжения, низкий КПД. Применяется  такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким  пульсациям.

14.  Двухполупериодный  выпрямитель, принцип  действия, коэффициент  пульсации выпрямленного  тока.

    Эта схема представляет собой два  однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС  , и .

    Для создания этих ЭДС в схеме является обязательным наличие трансформатора с двумя полуобмотками на вторичной стороне, имеющими среднюю точку.

    В этой схеме каждый из диодов проводит ток только в течение той части  периода, когда анод имеет более  высокий потенциал относительно катода, в этом случае диод открыт.

    В случае чисто активной нагрузки и  с учетом допущений для рассматриваемой  схемы имеют место следующие  основные соотношения:

    Поскольку мгновенное значение первичного тока , то, очевидно, что он представляет собой синусоиду и, следовательно, , где – коэффициент формы для синусоиды.

     ;

     ;

.

     Пульсация тока при двухполупериодном выпрямлении  значительно уменьшается, так как  коэффициент пульсации в данном случае: Kn=AI/Iср = 0,667.

15. Емкостной электрический  фильтр в выпрямительной  схеме и его  влияние на коэффициент  пульсации выпрямленного  тока.

     Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключенного к нагрузке. Напряжение на вентиле U_в равно разности напряжений источника питания U и на конденсаторе U_c

U_в = U – U_c.

    Ток через вентиль проходит только тогда, когда U – U_c > 0. Поэтому с момента t', в котором U – U_c = 0, конденсатор начнет заряжаться и через вентиль будет проходить зарядный ток i_с и ток нагрузки i_н:

    i_в = i_с + i_н.

    Заряд конденсатора прекратится в момент t'', когда U – U_c = 0. С этого времени напряжение U становится меньше, чем U_c, и конденсатор начнет разряжаться на нагрузку R_н. При этом напряжение на конденсаторе уменьшается по закону

    Uc = Uco e ^{- 1/RC} ,

    где U_C0 – напряжение на конденсаторе при запирании вентиля в момент t''; RC – постоянная времени RC-цепочки.

    При RC >> T напряжение U_c уменьшается медленно и его величина до следующего открытия вентиля изменяется незначительно. За это время разрядный ток конденсатора (он же ток нагрузки) также изменяется мало. В следующий полупериод процесс повторяется и т.д. Напряжение на нагрузке U_н = U_c выравнивается так же, как и ток в нагрузке

    I_н = U_н / R_н.

    В течение отрицательного полупериода  напряжение источника питания суммируется  с напряжением нагрузки, поэтому  максимальное обратное напряжение диода  равно U.

16. Индуктивный электрический  фильтр в выпрямительной  схеме и его  влияние на коэффициент  пульсации выпрямленного  тока.

     Простейший  индуктивный сглаживающий фильтр состоит  из индуктивной катушки – дросселя, включаемого последовательно с  нагрузкой. В результате пульсаций  выпрямленного тока в катушке  индуктивности возникает электродвижущая  сила самоиндукции, которая в силу закона электромагнитной индукции стремиться сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а следовательно, и пульсации  напряжения на ее зажимах. Индуктивные  фильтры обычно применяют в схемах выпрямления с большими значениями выпрямленного тока, так как в  этом случае увеличивается эффективность  сглаживания.

     Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра: SL=Kn1/Kn2, где Kn1 – коэффициенты пульсации на входе фильтра и Kn2 – выход фильтра – нагрузка. Коэффициент пульсации значительно уменьшается.