Принцип работы полупроводника

При отсутствии приложенного извне напряжения движение электрических зарядов через n-p-переход носит характер диффузии основных носителей заряда, «n» диффундирует в «p», заряжая ее отрицательно, а электроны «p» диффундируют в «n», заряжая положительно (рис. 35, а).

а	б	в

Рис. 35. Принцип работы полупроводника: а - напряжение отсутствует; б - прямое напряжение; в - обратное напряжение

 

В результате на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, создающий потенциальный барьер. Результирующий ток равен нулю.

Если полупроводниковый диод присоединить к источнику электрического тока, то начнется перемещение заряда в областях «n» и «p» от электронов к границе перехода «n-p» (рис. 35, б). При этом объединенный пограничный слой пополняется притекающими носителями зарядов, сопротивление «n-p» перехода уменьшается и потенциальный барьер снижается.

Электроны проводимости идущие в проводнике типа «n» легко переходят через потенциальный барьер. Этот процесс протекает тем легче, чем выше приложенное напряжение . В результате в цепи диода будет протекать ток .

Если на диод подать обратное напряжение , основные носители заряда будут перемещаться от границы перехода к электронам (рис. 35, в). Обделенный основными носителями заряда пограничный слой еще более расширяется и обедняется, образуя у контактных поверхностей защитный слой. Величина обратного тока в этом случае будет незначительна.

Включенный в цепь переменного тока, диод пропускает ток только в одном направлении, то есть выпрямляет его. При большом значении обратного напряжения обратный ток может резко возрасти, и произойдет пробой диода. Зависимость прямого и обратного тока от подводимого напряжения выражается вольт-амперной характеристикой диода (рис. 36).

Рис. 36. Вольт-амперная характеристика полупроводника

 

В первом квадранте ветвь характеристики соответствует проводящему направлению вентиля, когда через переход «n-p» идет прямой ток, а ветвь в третьем квадранте соответствует непроводящему направлению.

При увеличении обратного напряжения до значения, равного () пробивному, обратный ток мало изменяется. После этого значения обратный ток резко возрастает. Это объясняется тем, что повышается концентрация не основных носителей в связи с выделением в «n-p» переходе теплоты.

Рассмотрим конструкцию вентиля на примере селенового диода (рис. 37). На алюминиевую подкладку 1, которая является анодом, наносят слой селена 3, содержащую малую добавку йода и хлора.

Рис. 37. Конструкция вентиля: 1-алюминиевая прокладка, 2-сплав олова с кадмием, 3-селен, 4-запорный слой, 5-селенестый кадмий

 

Для уменьшения переходного сопротивления между алюминием и селеном наносят сплав олова с кадмием 2. Специальной термической обработкой создается запорный слой 4 который является границей между селеном с дырочной проводимостью и селенистым кадмием 5 с электронной проводимостью.

Диоды изготавливаются в виде дисков различного диаметра или прямоугольных пластин.

 

Схемы выпрямления

Мостовая схема выпрямления

 

Одной из основных задач, возникающих при проектировании сварочных выпрямителей, является выбор рациональной схемы выпрямления. Принимая во внимание такие факторы как: тип и параметры применяемых вентилей, мощность и конструкцию трансформаторов, а также формы внешних характеристик, можно правильно выбрать схему выпрямления

Большинство сварочных выпрямителей выпускаются с питанием от трехфазной сети переменного тока. Первую схему выпрямления, которую мы рассмотрим, это трехфазная мостовая схема (рис. 38).

а	б

Рис. 38. Принципиальная схема выпрямления: а- мостовая схема выпрямления; б- кривые напряжений , , и выпрямленного напряжения , - трехфазный трансформатор, - первичные обмотки, - вторичные обмотки, V1-V6- диоды

 

Трехфазная мостовая схема состоит из трехфазного двухобмоточного трансформатора и шести вентилей. Вентили (V1, V3, V5), имеющие общие катоды, образуют катодную группу, и их общий вывод имеет положительный полюс для нагрузки. Вентили (V2, V4, V6)- образуют анодную группу, а общий вывод имеет отрицательный полюс для нагрузки.

Рассмотрим работу схемы с неуправляемыми вентилями. Нарисуем кривые фазовых напряжений (, , ) вторичных обмоток трансформатора. Выпрямленное напряжение - (рис. 38, б).

В любой момент времени из катодной группы пропускает ток вентиль, к аноду которого приложено большее положительное напряжение. В промежутке ОО3 из катодной группы пропускает ток вентиль V1. В анодной группе, в любой момент времени пропускает ток вентиль, к катоду которого приложено большее отрицательное напряжение. В промежутке ОО₃ из анодной группы пропускает ток вентиль V2. Так в любой момент времени в условиях коммутации работают два вентиля – один из катодной, другой из анодной группы. На участке ОО1 к нагрузке подводится положительное напряжение Uа и отрицательное напряжение через вентили V1, V6. Поэтому выпрямленное напряжение и на участке О₁О₂ .

Для кривой выпрямленного напряжения характерна шестикратная частота пульсации по отношению к частоте переменного тока. Если промышленная частота переменного тока 50 герц, частота пульсации выпрямленного напряжения будет составлять 300 герц

Среднее действительное значение анодного тока в вентиле равна , где - средняя сила тока выпрямителя.

Связь между выпрямленным током и действующим фазовым током вторичной обмотки трансформатора выражается в виде:

Ток первичной обмотки трансформатора , n- коэффициент трансформации.