ОЕ Л-4 + (НПД)

1.

ОСНОВИ
ЕЛЕКТРОНІКИ
Тема 2
Активні елементи електричних кіл
Active elements of electric circuits
Лекція 4
Напівпровідниковий діод та табілітрон
Semiconductor diode and zener diode

2.

НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ:
1. Будова та вольт-амперна
характеристика
напівпровідникового діода та
стабілітрона.
2. Основні схеми випрямлення та
стабілізації напруги.

3.

МЕТА ЗАНЯТТЯ:
-
Засвоїти особливості будови,
характеристик та параметрів
напівпровідникових діодів;
-
Ознайомитися з основними
схемами застосування
напівпровідникових діодів та
стабілітронів.

4.

Навчальна література:
Л 1.
Комп’ютерна електроніка: Навч. Посіб. –
Житомир: ЖВІ, 2017. – 613 с. (стор. 74–122).
Л 2. Шабатура Ю., Ільків І., Цибуляк Б., Дверій О.
Електротехніка, електроніка та автоматика у військовій
техніці. Навчально-методичний
посібник. – Львів:
Національна академія сухопутних військ, 2022. – 203 с.
Л 3. STANAG 4093. Mutual acceptance by NATO member
countries of qualification of electronic and electrical
components for military use (Електронні компоненти для
військового використання – АPP-30).
Л 4. Torrieri N. Electronic devices elements. – Boston:
SWMA University, 2018. – 324 р.

5.

Голосарій терменів
Напівпровідниковий діод - Semiconductor diode
Стабілітрон - Zener diode
Пряме включення - Direct inclusion
Зворотне включення - Reverse inclusion
Випрямляючі діоди - Rectifier diodes
Мостова схема випрямлення - Bridge
rectification scheme
Параметричний стабілізатор – Parametric
stabilizer
Резистор гасіння - Quenching resistor

6.

1. Будова та вольт-амперна
характеристика
напівпровідникового діода та
стабілітрона

7.

8.

Енергетичні зони твердих тіл

9.

Основні матеріали напівпровідників:
Кремній це елемент, який
4 вал.ел міститься в кварці, піску та
пісковику.
Германій - найпоширеніший
4 вал.ел
напівпровідник
Ge
Арсені́д га́лію GaAs кристалічна речовина із
3 вал.ел
кристалічною ґраткою
типу цинкова обманка

10.

11.

12.

13.

Фосфор, миш'як (5-и вал.)
Індій, галій, алюміній (3-х вал.)

14.

15.

16.

Вольт-амперна (ВАХ)
характеристика НП-их діодів.
Електрод НПД на який при прямому
включенні подається більш позитивний
потенціал називається анодом (НП
р-типу), інший електрод – катодом
(НП n-типу).

17.

Напруга бар'єру p-n переходу:
германій φкGe=(0,2÷0,4)[В];
кремній φкSi=(0,5÷0,7)[В];
сполуки галію φкGaAs=(2÷2,5)[В];
НП-і з бар’єром Шотткі
φкБШ =(0,2 ÷ 0,3)[В].

18.

Схема
для
дослідження
прямої гілки ВАХ НПД
+
Джерело
напруги
IПР
А
V
-
UПР
VD

19.

Схема для дослідження
зворотної гілки ВАХ НП діода
+
Джерело
напруги
IЗВОР
A
V UЗВОР
_
VD

20.

21.

22.

Допустима зворотна напруга
(UЗВОР МАКС) р-n переходу на базі
кремнієвого
НП-ка
1000÷1500[В], для германієвого
100÷400 [В].

23.

Принцип застосування НПД для
стабілізації напруги.
Стабілітроном (С.) називається НПД, який
призначений для параметричної стабілізації
напруги в резистивних електричних колах.
В основі принципу дії стабілітронів лежить
явище електричного пробою в р-n
переході при його зворотному включенні.
Термін “параметрична” вказує на те, що
величина напруги електричного пробою UПР
(напруги стабілізації UСТ) є параметром
стабілітрона.

24.

стабілітрон
Анод
Катод
симетричний
стабілітрон
УГЗ НП стабілітрона

25.

ІПР
t2 > t1
ІСТ МІН
UСТ
ІСТ МАКС
UСТ
UЗВОР
ІСТ МІН
ІСТ МАКС
ВАХ НП стабілітрона
UПР

26.

Параметри та маркування
стабілітронів.
Основні:
1. Середня
напруга
стабілізації
UСТ.
2. Струм стабілізації - ІСТ.
Максимально та мінімально допустимі:
ІСТ МАКС;
ІСТ МІН;
РМАКС.

27.

Маркування
напівпровідникових діодів та
стабілітронів.

28. Умовне графічне позначення діодів на принципових електричних схемах

а) випрямляючі,
високочастотні ;
б) стабілітрони;
в) варикапи;
г) тунельні діоди;
д) діоди Шоткі;
е) світлодіоди;
ж) фотодіоди;
з) випрямляючі блоки.

29.

Система маркування НП приладів для
випрямлення змінного струму
1-й е-т – матеріал НП:
1(Г) – германій; 2(К) – кремній; 3(А) – сполуки
арсеніду галію.
2-й
е-т
– літера:
Д –
НПД для
випрямлення змінного струму;
Ц – стовпи або мости для випрямлення
змінного струму.
3-й е-т - цифра :
1 – малої потужності, ІПР < 0,3 А;
2 – середньої потужності, ІПР = 0,3…10 А.

30.

Приклади:
КД102А
–
кремнієвий,
загального
призначення НПД для випрямлення змінного
струму, малої потужності (ІПР < 0,3 А),
порядковий номер розробки № 02, група
параметрів А;
2Д2997В – кремнієвий, спеціального
призначення НПД для випрямлення змінного
струму, середньої потужності (ІПР = 0,3…10
А), порядковий номер розробки № 997, група
параметрів В;

31.

КЦ402В – діодний кремнієвий міст
середньої потужності, загального
призначення, розробка № 02, група
параметрів В;
КЦ109А
–
діодний
стовп,
загального
призначення,
малої
потужності,
порядковий
номер
розробки №09, група параметрів А.

32.

Маркування стабілітронів:
1-ий елемент – тип НП (к,г)
2-ий елемент – літера “С”;
3-ій елемент – цифра
(потужн.)

33.

Малої потужності,
1
2
3
Р < 0,3 [Вт]
Середньої потужності, 4
5
6
Р = 0,3÷5 [Вт]
Великої потужності,
7
8
9
Р > 5 [Вт]
UСТ вказується
цифрами 4-го ел-та
в наведених межах 0,1÷9,9 10÷99 До
[В]
[В] вказаної
напруги
+100[В]

34.

Приклади маркування НП
стабілітронів:
КС147В
–
кремнієвий
стабілітрон
загального призначення, малої потужності,
UСТ = 4,7 [В];
2С522А – кремнієвий стабілітрон
спеціального призначення, середньої
потужності, UСТ = 22 [В].

35.

Приклади
маркування НП
стабісторів:
КС107В – кремнієвий стабістор
загального призначення, малої
потужності, UСТ = 0,7 В;
КС119А – кремнієвий стабістор
загального призначення, малої
потужності, UСТ = 1,9 В.

36.

2. Основні схеми випрямлення
та стабілізації напруги.

37.

Застосування НПД для
випрямлення змінного струму
Оскільки енергопостачання здійснюється
змінним струмом, а велика кількість ЕП
потребує живлення постійним струмом
застосовують схеми випрямлячів, основними
елементами яких є:
трансформатор;
вентильна схема;
елементи згладжування пульсацій напруги;
стабілізатор постійної напруги.

38.

Класифікація схем випрямлення:
за числом фаз – однофазні та
багатофазні;
за принципом дії в однофазному
колі живлення – однонапівперіодні
та двонапівперіодні.
за потужністю – малої (до 1 [кВт]),
середньої (до 100 [кВт]), великої
(більше 100 [кВт]) потужності.

39.

В однонапівперіодному випрямлячі
використовується тільки одна за період
півхвиля напруги вторинної обмотки Тр.
В двонапівперіодному випрямлячі –
використовуються
обидві
півхвилі
напруги вторинної обмотки Тр.

40.

Основні параметри випрямлячів на
НПД:
cередні
значення
випрямленої
напруги та струму ІСЕР, UСЕР
коефіцієнт пульсацій КП= Um/UСЕР;

41.

Принцип дії однофазного однонапівперіодного
випрямляча
RH

42.

Недоліки однонапівперіодного
випрямляча:
значна
величина
пульсації
випрямленої
напруги
UВИХ(t),
оскільки за значний інтервал часу
між зарядними імпульсами струму,
СФ встигає суттєво розрядитися;
- невеликий η, оскільки через RН
струм протікає тільки половину
періоду U2(t).

43.

Шляхи
зменшення
величини
пульсацій випрямленої напруги на
навантаженні:
- застосування конденсаторів з
великими
значеннями
номінальних
ємностей;
- додаткове застосування дроселів для
згладжування пульсацій або активних
фільтрів;
- підвищення частоти пульсацій.

44.

Дані недоліки усувають однофазні
двонапівперіодні випрямлячі, в яких
можуть бути задіяні два або чотири
напівпровідникових діода.

45.

Однофазний двонапівперіодний
мостовий випрямляч

46.

Однофазний двонапівперіодний
випрямляч з середньою точкою

47.

Параметричний
стабілізатора напруги
Склад:
стабілітрон VD;
резистор гасіння RГ;
джерело
живлення
UЖ > UСТ.

48.

Схема параметричного
напруги
стабілізатора

49.

U
UЖ
UСТ
UГ
UН
t
Епюри напруг параметричного
стабілізатора напруги

50.

Принцип параметричної
стабілізації напруги
При збільшенні UЖ зростатимуть напруги
UГ та UН=UСТ.
Незначне зростання UСТ призведе до
стрімкого зростання ІСТ, а це в свою чергу
сильно вплине на збільшення ІГ.
Завдяки цьому, майже весь приріст UЖ
виділиться на RГ.
Скорочено це записується так:
UЖ UН =UСТ ІСТ ІГ UГ
UСТ=UН=(UЖ –UГ )≈ const

51.

Порядок вибору
резистора гасіння RГ
Згідно з І та ІІ законами Кірхгофа для
схеми
ІГ = ІСТ + ІН,
UЖ = UГ + UН.

52.

Оскільки
стабілітрон
паралельно до RН, то UСТ= UН.
Тоді
UЖ=UГ + UСТ=(ІСТ + ІН)·RГ + UСТ,
звідки
UЖ – UСТ
RГ = ––––––––––– .
ІСТ + ІН
включений

53.

Умовою вибору опору резистора гасіння RГ є:
UЖ МІН – UСТ
UЖ МАКС – UСТ
––––––––––– = RГ МАКС > RГ > RГМІН = ––––––––––– .
ІСТ МІН + ІН МАКС
ІСТ МАКС + ІН МІН
Потужність, яка розсіюється на резисторі гасіння
РRГ визначають на підставі умови:
(UЖ МАКС – UСТ) 2
РRГ > –––––––––––––––– .
RГ

54.

Висновки:
1. Для нормальної роботи більшості
електротехнічних та радіоелектронних
пристроїв необхідна наявність джерел
постійної напруги, оскільки активні
електрорадіокомпоненти, які входять в
їх склад є однонаправленими.
2. Для випрямлення змінної напруги
найчастіше
використовується
двонапівперіодна мостова схема.