Diody półprzewodnikowe i ich zastosowanie Złącze pn Polaryzacja złącza Charakterystyki prądowo-napięciowe diody Parametry techniczne diod Prostowniki ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA – Jakub Dawidziuk piątek, 24 marca 2017 1

Rodzaje przyrządów półprzewodnikowych Rozwój elektroniki był i jest ściśle związany z rozwojem przyrządów półprzewodnikowych, osiąganiem przez nie większych prądów przewodzenia, wyższych napięć blokujących i korzystniejszych parametrów dynamicznych. Przyrządy półprzewodnikowe można podzielić na trzy zasadnicze grupy: przyrządy jonowe, elektronowe i półprzewodnikowe. jonowe to prostowniki rtęciowe, ignitrony i tyratrony, elektronowe to diody i triody próżniowe, półprzewodnikowe to diody półprzewodnikowe, tranzystory bipolarne, tyrystory konwencjonalne, tyrystory wyłączalne, tranzystory polowe mocy, tranzystory IGBT, ulepszone przyrządy mocy sterowane napięciowo, układy scalone analogowe i cyfrowe.

Półprzewodniki Wykorzystanie materiałów półprzewodnikowych spowodowało rozwój przemysłu elektronicznego dzięki produkcji takich przyrządów półprzewodnikowych jak diody, tranzystory i układy scalone. Atomy węgla, germanu i krzemu posiadają cztery elektrony w paśmie walencyjnym. Znajdują się one pomiędzy metalami i niemetalami i nazywają się półprzewodnikami. Oporność właściwa półprzewodników jest dużo większa niż metali i dużo mniejsza niż dielektryków. Podstawowym materiałem stosowanym przy produkcji elementów półprzewodnikowych jest krzem. Oporność właściwa: german 45 Ωcm, krzem 230 000 Ωcm, węgiel 0,35 Ωcm.

Klasyfikacja materiałów elektrycznych

Domieszkowanie materiałów półprzewodnikowych

Domieszki w krzemie - liczbowo

Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz prądy w złączu

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zakres przebicia Zakres przewodzenia

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody UWAGA: skale osi prądu i napięcia dla kierunku przewodzenia i zaporowego są różne!!

Charakterystyka diody germanowej i krzemowej

Prostowniki Prostowniki jednofazowych Prostowniki trójfazowe WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Temat i plan wykładu Prostowniki Prostowniki jednofazowych Prostowniki trójfazowe Zastosowania prostowników ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA – Jakub Dawidziuk piątek, 24 marca 2017 11

Zasilacze napięcia stałego Zasilacz napięcia (prądu) stałego - transformatorowy, zbudowany jest z: transformatora zmieniającego napięcie zasilające (np. 230 V) na żądane napięcie (np. 12 V). Napięcie to jest prostowane poprzez diodę (prostownik półokresowy), lub mostek Graetza składający się z czterech diod (prostownik pełnookresowy). Wyprostowane napięcie może być wygładzone poprzez filtry składające się z cewki, opornika, dławika i kondensatorów elektrolitycznych i stabilizowane za pomocą scalonych układów stabilizujących. Popularne zasilacze transformatorowe występują najczęściej w obudowie zawierającej wtyk sieciowy i są wkładane bezpośrednio do gniazda sieciowego.

Prostownik z filtrem kondensatorowym

Prostowniki Prostownik jest układem przekształcającym napięcie przemienne na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zamienione na napięcie stałe. Najczęściej wejściowym napięciem przemiennym jest napięcie sieciowe: 230 V, 50 Hz – prostowniki jednofazowe; 400 V, 50 Hz – prostowniki trójfazowe.

Prostowniki jednofazowe i trójfazowe prostowniki przekształcają napięcie przemienne na napięcie stałe, wartość stałego napięcia wyjściowego jest regulowana przez ustalenie odpowiedniego wejściowego napięcia przemiennego, dzielone są na układy jednopołówkowe (półokresowe, jednopulsowe) i dwupołówkowe (całookresowe, dwupulsowe), prostowniki jednofazowe i trójfazowe, prostowniki wielofazowe, prostowniki sterowane.

Symbole prostowników Symbol prostownika mostkowego (po lewej) i prostownika (po prawej) używane w schematach blokowych

Obudowy diod i mostków prostowniczych

Zastosowanie prostowników Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. w elektrowozach), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej lub jakimkolwiek napięciem przemiennym (np. układy elektryczne samochodów). Prostownikiem jest również detektor diodowy wykorzystywany do detekcji sygnału radiowego zmodulowanego modulacja amplitudy AM lub modulacja częstotliwości FM. Nazwa ''prostownik'' jest używana również w języku potocznym jako określenie ładowarki akumulatorów samochodowych. (Technicznie nie jest to jednak określenie poprawne, ponieważ ładowarki takie składają się z transformatora, prostownika właściwego (często sterowanego), układu regulującego, itd.)

Prostownik jednopołówkowy obciążenie R podczas dodatniej półfali dioda przewodzi, podczas ujemnej półfali dioda jest blokowana, kształt prądu diody powtarza kształt napięcia na obciążeniu.

Prostownik jednopołówkowy RC f=50 Hz jednopołówkowy f=100 Hz dwupołówkowy

Ładowanie baterii z prostownika jednopołówkowego dioda przewodzi jeżeli wartości chwilowe napięcia wejściowego przekroczą napięcie baterii, dioda jest blokowana w czasie kiedy wartości chwilowe napięcia zasilającego są niższe od napięcia baterii, kształt prądu diody powtarza kształt napięcia wymuszającego jego przepływ. (b) Przebiegi napięć i prądu

Prostownik mostkowy pełnookresowy (dwupulsowy) może być użyty bez transformatora diody przewodzą podczas dodatnich i ujemnych półfal napięcia zasilającego, pojemność kondensatora filtrującego dwa razy mniejsza niż w 1f, dla tych samych Io i ΔU (dlaczego?)

Prostownik mostkowy pełnookresowy (dwupulsowy) z transformatorem zero sieci masa elektroniki

Prostownik napięć symetrycznych na wyjściu napięcia symetryczne względem masy (dodatnie i ujemne o jednakowej wartości bezwzględnej), dobra sprawność ponieważ wykorzystywane są obie połówki okresu sygnału wejściowego we wszystkich uzwojeniach transformatora.

Prostownik trójfazowy jednopołówkowy Prostowniki trójfazowe charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe. Jednopołówkowe Trójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie posiada przewodu zerowego).

Prostownik trójfazowy dwupołówkowy Trójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym układzie napięcia trójfazowego - zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych powyżej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej mocy, jak np. spawarki transformatorowe. Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość sterowania wartością prądu wyjściowego.

Diody Zenera. Stabilizatory parametryczne. Stabilizatory parametryczne stosowane są zazwyczaj tylko przy małych mocach wyjściowych i niezbyt wygórowanych wymaganiach jakościowych. Charakteryzują się one małą sprawnością , a ich współczynniki stabilizacji mają umiarkowaną wartość przy zmianach obciążenia i napięcia wejściowego. Wartość napięcia stabilizowanego jak i prądu wyjściowego zależą głównie od parametrów elementu nieliniowego. Jest to istotna wada tego typu układów ponieważ w przypadku konieczności zmiany tych wielkości, konieczna jest wymiana elementu nieliniowego (diody Zenera).

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera

Diody stabilizacyjne

Charakterystyki diod Zenera 8.04.2010 Pzmax = Izmax Uz

Rezystancja różniczkowa

Stabilizator z diodą Zenera

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi. Zmiany napięcia wejściowego ΔUwe pociągają za sobą zmiany prądu diody ΔID, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego ΔUwy. Można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu Zenera UZ.

Wartości katalogowe Pzmax = Izmax Uz UZ - napięcie Zenera rz - rezystancja różniczkowa (Zenera) Izmax - prąd maksymalny Pzmax – maksymalna moc rozproszenia Pzmax = Izmax Uz

Stabilizator z diodą Zenera zasilany z sieci

Obudowy diod Zenera metalowe

Złącze metal-półprzewodnik dioda Schottky’ego Po „zetknięciu metalu i półprzewodnika” układ dąży do równowagi termodynamicznej poprzez przegrupowanie e-. Ponieważ Wme > Wpp , to wiecej e- będzie przepływać z pp do me niż odwrotnie. po stronie me pojawia się cienka warstwa ładunku ujemnego, a po stronie pp znacznie szersza warstwa ładunku dodatniego, dipolowa warstwa ładunku przestrzennego bariera potencjału jest równa różnicy potencjałów wyjścia elektronów (Vme – Vpp) złacze prostujace => dioda Schottky’ego A K

Złącze metal-półprzewodnik