Вольт-амперная характеристика
ВАХ — это характеристика полупроводникового элемента, показывающая зависимость I, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности U (рис. 1).
Рисунок 1 – Пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
ВАХ отличаются между собой и это зависит от типа полупроводникового прибора. Графиком ВАХ является кривая, по вертикали которой отмечены значения прямого I (вверху). Внизу отмечены значения I при обратном подключении. По горизонтали указаны показания U при прямом и обратном включении. Схема состоит из 2 частей:
- Верхняя и правая – Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
- Нижняя часть слева – Д находится в закрытом состоянии. Линия идет практически параллельно оси и свидетельствует о медленном нарастании Iобр (обратного тока).
Из графика можно сделать вывод: чем круче вертикальная часть графика (1 часть), тем ближе нижняя линия к горизонтальной оси. Это свидетельствует о высоких выпрямительных свойствах полупроводникового прибора. Необходимо учитывать, что ВАХ зависит от температуры окружающей среды, при понижении температуры происходит резкое понижение Iобр. Если температура повышается, то повышается и Iобр.
Построение графика
Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого необходимы блок питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора). Алгоритм построения ВАХ следующий:
- Подключить БП к диоду.
- Произвести измерения U и I.
- Внести данные в таблицу.
- На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).
Рисунок 2 – Пример нелинейной ВАХ диода.
Рисунок 3 – ВАХ Шоттки.
Исходя из графика, носящего асимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерно малое падение U при прямом подключении. Присутствует экспоненциальное увеличение I и U. Ток в барьере обусловлен отрицательно заряженными частицами при обратном и прямом смещениях. Шоттки обладают высоким быстродействием, так как диффузные и рекомбинационные процессы отсутствуют. I зависит от U благодаря изменению количества носителей, принимающих участие в процессах переноса заряда.
Кремниевый полупроводник широко применяется практически во всех электрических схемах устройств. На рисунке 4 изображена его ВАХ.
Рисунок 4 – ВАХ кремниевого Д.
На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Кроме кремниевых Д существуют еще германиевые, которые при нормальной температуре будут нормально работать. Кремниевый имеет меньший Iпр и Iобр, поэтому тепловой необратимый пробой у германиевого Д наступает быстрее (при подаче высокого Uобр), чем у его конкурента.
Выпрямительный Д применяется для преобразования переменного U в постоянное и на рисунке 5 приведена его ВАХ.
Рисунок 5 – ВАХ выпрямительного Д.
На рисунке изображена теоретическая (пунктирная кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают из-за того, что в теории не учитывались некоторые аспекты:
- Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
- Токи утечки.
- Процессы генерации и рекомбинации.
- Пробои различных типов.
Кроме того, температура окружающей среды значительно влияет на измерения, и ВАХ не совпадают, так как теоретические значения получают при температуре +20 градусов. Существуют и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на корпусе.
Существуют и дополнительные характеристики. Они нужны для применения Д в определенной схеме с U и I. Если использовать маломощный Д в устройствах с U, превышающем максимально допустимое Uобр, то произойдет пробой и выход из строя элемента, а также это может повлечь за собой цепочку выхода других деталей из строя.
ВАХ помогает определить такие сложные неисправности Д: пробой перехода и разгерметизация корпуса. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, следовательно, перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.
Электрический ток в вакууме
Из курса физики
известно, что электрический ток в вакууме не подчиняется закону Ома. В
настоящей работе на основе снятой вольт-амперной
характеристики вакуумного диода определяется удельный заряд электрона.
В
вакуумной электронной лампе электрическое поле, действующее на каждый
электрон, складывается из внешнего поля, создаваемого разностью потенциалов
между электродами, и поля, создаваемого всеми остальными электронами,
образующими пространственный заряд, благодаря которому при малых анодных
напряжениях анодный ток может быть значительно меньше возможного тока эмиссии
катода и будет постепенно увеличиваться при повышении анодного напряжения.
При теоретическом
рассмотрении вопроса о зависимости анодного тока от величины анодного
напряжения в вакуумном диоде следует учитывать ряд допущений:
1) начальные
скорости электронов, эмитируемых катодом, настолько малы, что можно считать
их равными нулю (так как энергии электронов, покидающих катод, не превышают
нескольких десятых электроновольт, при анодных
напряжениях в десятки вольт это допущение вполне оправданно);
2) анодный ток
далек от насыщения;
3)
пространственный заряд создает такое распределение потенциалов между катодом
и анодом, что непосредственно у поверхности катода напряженность
электрического поля равна нулю.
Расчет показывает,
что анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени три вторых:
,
(1)
где
–
коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, заряда и массы
электрона.
В случае
коаксиальных цилиндрических электродов выражение (1), называемое законом трех вторых, или уравнением
Богуславского – Лэнгмюра, имеет вид
,(2)
где
– удельный
заряд электрона; –
электрическая постоянная; – радиус
анода; – длина
катода; –
коэффициент, зависящий от отношения радиусов анода и катода (при отношении
радиусов больше 10 близок к единице).
Так как в
настоящей работе по вольт-амперной
характеристике диода определяется удельный заряд электрона, удобно строить графическую
зависимость анодного тока от анодного напряжения в степени три вторых,
поскольку при выбранных осях и указанная
зависимость, согласно (1), должна быть линейной. Угловой коэффициент,
равный тангенсу угла наклона полученной прямой, определяется по формуле
.
(3)
Таким образом, с
учетом (2) и (3) угловой коэффициент равен
. (4)
Отсюда можно
рассчитать удельный заряд электрона:
.
(5)
Наиболее существенные
факторы, приводящие к отклонениям от закона трех вторых, следующие:
1. Неравенство
нулю начальных скоростей электронов, эмитируемых катодом. За счет этого
изменяется характер распределения потенциала между электродами; в частности,
напряженность электрического поля у поверхности катода также не равняется
нулю.
2. Контактная
разность потенциалов между катодом и анодом. В уравнениях (1) и (2) под
напряжением подразумевается истинная величина разности потенциалов, заметная
при анодных напряжениях.
3. Неэквипотенциальность катода (в случае катодов прямого канала).
В этом случае разность потенциалов между анодом и различными участками катода
оказывается разной. Этот фактор также является существенным при малых анодных
напряжениях.
4. Асимметрия системы
электродов (например, неконцентричность катода и
анода).
5. Наличие
остатков газа в лампе. При достаточно высоких анодных напряжениях происходит
ионизация газа. Положительные ионы нейтрализуют действие отрицательного
пространственного заряда, и анодный ток возрастет значительно быстрее, чем
следует из закона трех вторых.
Перечисленные выше
факторы приводят к заметным отклонениям от закона трех вторых при определении
удельного заряда по формуле (4). Существенно и то обстоятельство, что
величина удельного заряда электрона входит в выражение закона трех вторых (2)
под знаком квадратного корня, поэтому при расчете удельного заряда электрона
по формуле (4) погрешность соответственно увеличивается.
В настоящей работе
используется лампа с подогревным оксидным катодом.
Оксидный катод отличается той особенностью, что у него не наблюдается резко
выраженного, как у катода чистых металлов, насыщения анодного тока, что
вызвано сильным влиянием внешнего электрического поля на величину тока
эмиссии оксидного катода. Поэтому при значительных внешних полях и дальнейшем
увеличении напряжения анодный ток продолжает возрастать.
Прямое включение диода
На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.
Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:
- Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
- Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
- Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
- Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
- Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
- Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
- Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.
Приближенные модели диодов
В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ»
Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости Vϒ.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ + rD»
Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.
Tags: ампер, анод, бить, бра, бросить, вид, генератор, дом, , измерение, как, компьютер, , мощность, мультиметр, напряжение, номинал, ограничитель, полярность, постоянный, потенциал, прикосновение, принцип, провод, пуск, , работа, размер, расчет, ребро, резистор, ряд, свет, светодиод, сеть, сопротивление, стабилитрон, схема, тен, тип, ток, транзистор, , умный, фото, щит, эффект
Схема простейшего выпрямителя переменного тока
Рассмотрим, как работает схема (выпрямительный диод играет в ней главную роль) примитивного выпрямителя.
На его вход подается сетевое переменное напряжение с положительными и отрицательными полупериодами. К выходу выпрямителя подключается нагрузка (R нагр.), а функцию элемента, выпрямляющего ток, выполняет диод (VD).
Положительные полупериоды напряжения, поступающие на анод, вызывают открывание диода. В это время через него, а следовательно через нагрузку (R нагр.), которая питается от выпрямителя, протекает прямой ток (I прям.).
Отрицательные полупериоды напряжения, поступающие на анод диода, вызывают его закрывание. По цепи протекает небольшой обратный ток диода (I обр.). Здесь диод производит отсекание отрицательной полуволны переменного тока.
В результате выходит, что через подключенную к сети нагрузку (R нагр.), через диод (VD), теперь проходит пульсирующий, а не переменный ток одного направления. Ведь он может проходить исключительно в положительные полупериоды. В этом и заключается смысл выпрямления переменного тока.
Однако такое напряжение может запитать только нагрузку малой мощности, которая питается от сети переменного тока и не предъявляет серьезных требований к питанию, к примеру, лампы накаливания.
Лампа будет пропускать напряжение лишь при прохождении положительных импульсов, вследствие этого электроприбор подвергается слабому мерцанию, имеющему частоту 50 Гц. Правда, вследствие того, что нить подвержена тепловой инертности, она не сможет до конца остывать в перерывах между импульсами, а значит, мерцание будет почти не заметно.
В случае если такое напряжение подать на усилитель или приемник мощности, то в громкоговорителе будет слышен звук низкой частоты (частотой 50 Гц), который называется фоном переменного тока. Этот эффект происходит по причине того, что пульсирующий ток во время прохождения через нагрузку наводит в ней пульсирующее напряжение, порождающее фон.
Подобный недостаток в какой-то мере устраняется, если параллельно нагрузке включить фильтрующий конденсатор (C фильтр), емкость которого достаточно велика.
Конденсатор будет заряжаться импульсами тока при положительных полупериодах, и разряжаться через нагрузку (R нагр.) при отрицательных полупериодах. При достаточной емкости конденсатора за время, которое проходит между двумя импульсами тока, он не успеет полностью разрядиться, а следовательно, на нагрузке (R нагр.) будет постоянно находиться ток.
Но даже таким, относительно сглаженным, током также не следует питать нагрузку, ведь она будет продолжать фонить, потому что величина пульсаций (U пульс.) пока еще достаточно серьезна.
Кенотронная приставка
Кенотронная приставка представляет собой маслонаполненный цилиндр, внутри которого размещены трансформатор и кенотрон. Сверху приставки установлен трехпредельный микроамперметр для измерения токов утечки с переключателем пределов. Микроамперметр отградуирован на 200, 1000 и 5000 мка. Конструкция экранировки микроамперметра обеспечивает исключение токов утечки самого аппарата при измерении токов утечки во время испытания.
выпрямительные установки, выполненные на кенотронных лампах КР-110, КРМ-150 и КР-220 имеют ряд недостатков: излучение вредных для организма человека рентгеновских лучей; малая величина выпрямленного тока (для перечисленных выше ламп соответственна — 5 мА, 10 мА, 30 мА) наличие накальных трансформаторов в установках увеличивает их вес; неудобства транспортировки, в результате которой кенотронные лампы часто выходят из строя.
Как устроен вакуумный диод
Назначение
Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом. Схематическое изображение диода показано на рисунке 2 изображен диод с катодом прямого накала. Для получения вольт-амперной характеристики анода можно воспользоваться электрической цепью, приведенной на рисунке 3, где применяется диод с катодом косвенного накала. Вольт-амперная характеристика диода с металлическим катодом рис. При напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако пространственный отрицательный заряд , отталкивающее вылетающие из катода электроны.
Понятие вакуума
Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением U a число электронов, достигающих анода, увеличивается и электронное облако постепенно уменьшается.
Когда же все термоэлектроны, вылетающие из катода, попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения I нас на графике рисунка 4 — горизонтальный участок. Это выражение называют формулой Богуславского—Ленгмюра или законом «трех вторых».
Такой ток называют током насыщения.
При постоянной температуре катода сила тока в межэлектродном промежутке зависит от анодного напряжения. Диод пропускает ток только в одном направлении. Это его свойство используется для выпрямления переменного тока.
Диод вакуумный — двухэлектродная электронная лампа условное изображение приведено на. Внутри баллона размещены два электрода: катод к и анод а. При нагревании катода с его поверхности испускаются электроны термоэлектронная эмиссия. При подключении анода к положительному полюсу источника тока, а катода к отрицательному электроны под действием электрического поля движутся от катода к аноду и в диоде возникает электрический ток. По мере увеличения напряжения сила тока в цепи растет, так как все большее количество вылетающих электронов достигает анода.
Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:. Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством — возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.
Здесь вы найдете подходящего репетитора быстро, удобно и бесплатно. Мы всегда рады проконсультировать Вас по вопросам образования.
Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:. На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников.
Устройство
Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе. Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:. Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:.
Электрический ток в вакууме
Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Войти через ВКонтакте Юлия Поделиться. Лариса Поделиться. Запаянная длинная колба с вакуумом, две железяки электроды в концах колбы.
Регистрация Вход. Ответы Mail.
Одна железяка катод подогревается от электроцепи и электроны в ней, не выдерживая нагрева, вылетают из нее и на некотором расстоянии от нее формируют облачко. Если к другой железяке аноду приложить положительное относительно катода напряжение, то электроны из облака рассосутся и побегут к аноду — есть проводимость.
Если сделать напряжение анода отрицательным, то это затолкнет электроны обратно в катод, и никакого тока не потечет.
Принцип работы
Работа вакуумного диода основана на отсутствии в баллоне воздуха. Вакуум способствует отделению электронов от катода после подачи на него напряжения и достижения определенного уровня нагрева.
- Заряженные частицы образуют облако.
- Частицы, имеющие небольшую скоростью, возвращаются на поверхность минусового электрода.
- После подключения к напряжению плюсового электрода электроны, имеющие большую скорость, перемещаются к нему.
- в процессе формирования ускоряющего поля поток частиц от минуса к плюсу увеличивается.
- при объеме электронов, близком к предельному значению эмиссии, электроток стабилизируется (это явление называется насыщением).
Электронное облако стабилизируется при достижении определенного уровня температуры. На минусовой электрод возвращается такое же количество частиц, какое отделилось.
При подключении анода к отрицательному выводу источника питания, а катода – к положительному, электроны, которые выделяет катод, использовать невозможно. Их скорость небольшая, положительно заряженный минусовой электрод их притягивает. Те отрицательные частицы, которые создают облако и имеют большую скорость, отталкивает анод по причине отрицательного заряда.
Электрические параметры
У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:
- Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
- Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
- Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
- Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
- Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
- Рабочая частота, кГц;
- Рабочая температура, С.
Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).
При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Будет интересно Диод 1n4007: характеристики, маркировка и datasheets
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.
Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.
Силовой выпрямительный диод.
Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.
