Тепловой ток в конденсаторе

1.3.2 Конденсаторы полупроводниковых микросхем.

Они имеют следующие разновидности (рис. 1.17): диффузионные, металл-оксидно-полупроводниковые (МОП-конденсаторы) и тонкопленочные.

Диффузионные конденсаторы (рис. 1.17,а) образуются смещенным в обратном направлении P-N-переходом. Для данного материала емкость является функцией площади перехода, концентрации примесей и приложенного напряжения. Емкость P-N-перехода имеет линейную зависимость от напряжения. Точность диффузионных конденсаторов составляет ±20%. При использовании кремния можно получить конденсаторы емкостью до 1000 пФ и пробивным напряжением в 7 . 10 В.

МОП-конденсаторы (рис. 1.17,6) обладают луч-шими характеристиками. Они создаются непосредственно на полупроводниковой пластине. Диэлектриком здесь является слой диоксида кремния, образованный на полупроводнике. Одним из электродов является область кремния N + -типа, лежащая под оксидом, а другим — проводящая пленка алюминия, нанесенная на слой оксида. Такой конденсатор обладает хорошей линейностью, высоким пробивным напряжением (до 50 В), низким температурным коэффициентом. Удельная емкость МОП-конденсаторов составляет до 10 4 пФ/см 2 . Практически это значение ограничивается пределами 300. 1000 пФ. МОП-конденсаторы обладают высокой стабильностью, их емкость не зависит от напряжения. Температурный коэффициент может быть получен меньше 0,03%. Основным недостатком МОП-конденсаторов является большая паразитная емкость относительно подложки.

Тонкопленочные конденсаторы (рис. 1.17, в) получаются путем осаждения пленки диэлектрика между двумя проводящими пленками из алюминия, образующими пластины конденсатора. Одна из них наносится на слой диоксида кремния. В качестве диэлектрика применяют диоксид кремния Si0₂ или оксид тантала Та₂О₅. Благодаря хорошей изоляции от подложки слоем Si0₂ конденсатор имеет высокое напряжение пробоя, достигающее сотен вольт. Емкость тонкопленочного конденсатора может достигатъ 900 пФ/мм 2 , когда в качестве диэлектрика применяется SiO₂, и до 3500 пФ/мм 2 , если диэлектриком является Та_25. Точность конденсатора составляет ± (5 . 10) %.

1.3.3 Диоды

Диод ― это полупроводниковый элемент с односторонней проводимостью, образуется путем создания P-N-перехода между двумя областями разного типа проводимости. Работа его основана на свойствах электронно-дырочного перехода.

Электронно-дырочный переход и его свойства. Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая ― дырочную электропроводность. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия ― ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом ― не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 1.18. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено в нижней части рис. 1.18.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е_собст, , направление которого показано на рис. 1.18. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на P-N—переходе определяется контактной разностью потенциалов N-и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

, (1.1)

где =kT/q ― тепловой потенциал, N _n и Р _p— концентрации электронов и дырок в N— и Р-областях, n_i ― концентрация носителей зарядов в нелегированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6. 0,7 В, а для кремния ― 0,9. 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряже-ния к P-N-переходу. Если внешнее напряжение создает в P-N-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается; при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольт-амперная характеристика P-N-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его ― обратным. Приложение прямого и обратного напряжения к P-N-переходу показано на рис. 1.19.

Обратный ток в P-N-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается I_обр= I_s .

При прямом смещении P-N-перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя P-N-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области будет происхо-дить инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

, (1.2)

где U ― напряжение на P-N-переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещенииP-N-перехода будет равен разности диффузионного тока (1.2) и тока проводимости:

. (1.3)

Уравнение (1.3) называется уравнением Эберса ― Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика P-N-перехода приведена на рис. 1.20. Поскольку при T=300 o К тепловой потенциал _т =25 mB, то уже при U=0,1B можно считать, что

. (1.4)

Дифференциальное сопротивление P-N-перехода можно определить , воспользовавшись формулой (1.3):

,

. (1.5)

Так, например, при токе I= 1 А и  _т = 25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25мОм.

Предельное значение напряжения на P-N-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов _к. Обратное напряжение ограничивается пробоем P-N-перехода. Пробой перехода возникает за счёт лавинного размножения неосновных носителей и называется лавинным пробоем. В этой ситуации ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей P-N-переход электричексой цепи (рис. 1.20).

Полупроводниковый P-N-переход имеет емкость, которая в общем случае опре- деляется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения на- пряжения на нем, т.е. C = dq/du. Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения.

Полупроводниковым диодом называют прибор (рис.1.21), который имеет два вывода и содержит один P-N-переход, обеспечивая одностороннюю проводимость. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства P-N-переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади P-N-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через P-N-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (1.4) вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

,

где R — сопротивление объёма полу-проводникового кристалла, которое называют последовательным сопро-тивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 1.22,а, а его структура на рис. 1.22,б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, подключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.22, в.

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;

обратный ток I_обр при некотором значении обратного напряжения;

среднее значение прямого тока I_пр.ср;

импульсное обратное напряжение U_обри.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

время восстановления t_вос обратного напряжения;

время нарастания прямого тока I_нар;

предельная частота без снижения режимов диода f_max.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 1.22, в. Типовые значения статических параметров силовых диодов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Статические параметры силовых выпрямительных диодов

I_обр. мА (при U_обр, В)

U_np, В (при I_пр , А)

Конденсатор в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление конденсатора.

Мы знаем, что конденсатор не пропускает через себя постоянного тока. Поэтому в электрической цепи, в которой последовательно с источником тока включен конденсатор, постоянный ток протекать не может.

Совершенно иначе ведет себя конденсатор в цепи переменного тока (Рис 1,а).

Рисунок 1. Сравнение конденсатора в цепи переменного тока с пружиной, на которую воздействует внешняя сила.

В течение первой четверти периода, когда переменная ЭДС нарастает, конденсатор заряжается, и поэтому по цепи проходит зарядный электрический ток i, сила которого будет наибольшей вначале, когда конденсатор не заряжен. По мере приближения заряда к концу сила зарядного тока будет уменьшаться. Заряд конденсатора заканчивается и зарядный ток прекращается в тот момент, когда переменная ЭДС пе-рестает нарастать, достигнув своего амплитудного значения. Этот момент соответствует концу первой четверти периода.

После этого переменная ЭДС начинает убывать, одновременно с чем конденсатор начинает разряжаться. Следовательно, в течение второй четверти периода по цепи будет протекать разрядный ток. Так как убывание ЭДС происходит вначале медленно, а затем все быстрее и быстрее, то и сила разрядного тока, имея в начале второй четверти периода небольшую величину, будет постепенно возрастать.

Итак, к концу второй четверти периода конденсатор разрядится, ЭДС будет равна нулю, а ток в цепи достигнет наибольшего, амплитудного, значения.

С началом третьей четверти периода ЭДС, переменив свое направление, начнет опять возрастать, а конденсатор — снова заряжаться. Заряд конденсатора будет происходить теперь в обратном направлении, соответственно изменившемуся направлению ЭДС. Поэтому направление зарядного тока в течение третьей четверти периода будет совпадать с направлением разрядного тока во второй четверти, т. е. при переходе от второй четверти периода к третьей ток в цепи не изменит своего направления.

Вначале, пока конденсатор не заряжен, сила зарядного тока имеет наибольшее значение. По мере увеличения заряда конденсатора сила зарядного тока будет убывать. Заряд конденсатора закончится и зарядный ток прекратится в конце третьей четверти периода, когда ЭДС достигнет своего амплитудного значения и нарастание ее прекратится.

Итак, к концу третьей четверти периода конденсатор окажется опять заряженным, но уже в обратном направлении, т. е. на той пластине, где был прежде плюс, будет минус, а где был минус, будет плюс. При этом ЭДС достигнет амплитудного значения (противоположного направления), а ток в цепи будет равен нулю.

В течение последней четверти периода ЭДС начинает опять убывать, а конденсатор разряжаться; при этом в цепи появляется постепенно увеличивающийся разрядный ток. Направление этого тока совпадает с направлением тока в первой четверти периода и противоположно направлению тока во второй и третьей четвертях.

Из всего изложенного выше следует, что по цепи с конденсатором проходит переменный ток и что сила этого тока зависит от величины емкости конденсатора и от частоты тока. Кроме того, из рис. 1,а, который мы построили на основании наших рассуждений, видно, что в чисто емкостной цепи фаза переменного тока опережает фазу напряжения на 90°.

Отметим, что в цепи с индуктивностью ток отставал от напряжения, а в цепи с емкостью ток опережает напряжение. И в том и в другом случае между фазами тока и напряжения имеется сдвиг, но знаки этих сдвигов противоположны

Емкостное сопротивление конденсатора

Мы уже заметили, что ток в цепи с конденсатором может протекать лишь при изменении приложенного к ней напряжения, причем сила тока, протекающего по цепи при заряде и разряде конденсатора, будет тем больше, чем больше емкость конденсатора и чем быстрее происходят изменения ЭДС

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, влияет на силу протекающего по цепи тока, т. е. ведет себя как сопротивление. Величина емкостного сопротивления тем меньше, чем больше емкость и чем выше частота переменного тока. И наоборот, сопротивление конденсатора переменному току увеличивается с уменьшением его емкости и понижением частоты.

Рисунок 2. Зависимость емкостного сопротивления конденсатра от частоты.

Для постоянного тока, т. е. когда частота его равна нулю, сопротивление емкости бесконечно велико; поэтому постоянный ток по цепи с емкостью проходить не может.

Величина емкостного сопротивления определяется по следующей формуле:

где Хс — емкостное сопротивление конденсатора в ом;

f—частота переменного тока в гц;

ω — угловая частота переменного тока;

С — емкость конденсатора в ф.

При включении конденсатора в цепь переменного тока, в последнем, как и в индуктивности, не затрачивается мощность, так как фазы тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга на 90°. Энергия в течение одной четверти периода— при заряде конденсатора — запасается в электрическом поле конденсатора, а в течение другой четверти периода — при разряде конденсатора — отдается обратно в цепь. Поэтому емкостное сопротивление, как и индуктивное, является реактивным или безваттным.

Нужно, однако, отметить, что практически в каждом конденсаторе при прохождении через него переменного тока затрачивается большая или меньшая активная мощность, обусловленная происходящими изменениями состояния диэлектрика конденсатора. Кроме того, абсолютно совершенной изоляции между пластинами конденсатора никогда не бывает; утечка в изоляции между пластинами приводит к тому, что параллельно конденсатору как бы оказывается включенным некоторое активное сопротивление, по которому течет ток и в котором, следовательно, затрачивается некоторая мощность. И в первом и во втором случае мощность затрачивается совершенно бесполезно на нагревание диэлектрика, поэтому се называют мощностью потерь.

Потери, обусловленные изменениями состояния диэлектрика, называются диэлектрическими, а потери, обусловленные несовершенством изоляции между пластинами, — потерями утечки.

Ранее мы сравнивали электрическую емкость с вместимостью герметически (наглухо) закрытого сосуда или с площадью дна открытого сосуда, имеющего вертикальные стенки.

Конденсатор в цепи переменного тока целесообразно сравнивать с гиб-костью пружины. При этом во избежание возможных недоразумений условимся под гибкостью понимать не упругость («твердость») пружины, а величину, ей обратную, т. е. «мягкость» или «податливость» пружины.

Представим себе, что мы периодически сжимаем и растягиваем спиральную пружину, прикрепленную одним концом наглухо к стене. Время, в течение которого мы будем производить полный цикл сжатия и растяжения пружины, будет соответствовать периоду переменного тока.

Таким образом, мы в течение первой четверти периода будем сжимать пружину, в течение второй четверти периода отпускать ее, в течение третьей четверти периода растягивать и в течение четвертой четверти снова отпускать.

Кроме того, условимся, что наши усилия в течение периода будут неравномерными, а именно: они будут нарастать от нуля до максимума в течение первой и третьей четвертей периода и уменьшаться от максимума до нуля в течение второй и четвертой четвертей.

Сжимая и растягивая пружину таким образом, мы заметим, что в начале первой четверти периода незакрепленный конец пружины будет двигаться довольно быстро при сравнительно малых усилиях с нашей стороны.

В конце первой четверти периода (когда пружина сожмется), наоборот, несмотря на возросшие усилия, незакрепленный конец пружины будет двигаться очень медленно.

В продолжение второй четверти периода, когда мы будем постепенно ослаблять давление на пружину, ее незакрепленный конец будет двигаться по направлению от стены к нам, хотя наши задерживающие усилия направлены по направлению к стене. При этом наши усилия в начале второй четверти периода будут наибольшими, а скорость движения незакрепленного конца пружины наименьшей. В конце же второй четверти периода, когда наши усилия будут наименьшими, скорость движения пружины будет наибольшей и т. д.

Продолжив аналогичные рассуждения для второй половины периода (для третьей и четвертой четвертей) и построив графики (рис. 1,б) изменения наших усилий и скорости движения незакрепленного конца пружины, мы убедимся, что эти графики в точности соответствуют графикам ЭДС и тока в емкостной цепи (рис 1,а), причем график усилий будет соответствовать графику ЭДС , а график скорости — графику силы тока.

Рисунок 3. а) Процессы в цепи переменного тока с конденсатором и б) сравнение конденсатора с пружиной.

Нетрудно, заметить, что пружина, так же как и конденсатор, в течение одной четверти периода накапливает энергию, а в течение другой четверти периода отдает ее обратно.

Вполне очевидно также, что чем меньше гибкость пружины,- т е. чем она более упруга, тем большее противодействие она будет оказывать нашим усилиям. Точно так же и в электрической цепи: чем меньше емкость, тем больше будет сопротивление цепи при данной частоте.

И наконец, чем медленнее мы будем сжимать и растягивать пружину, тем меньше будет скорость движения ее незакрепленного конца. Аналогично этому, чем меньше частота, тем меньше сила тока при данной ЭДС.

При постоянном давлении пружина только сожмется и на этом прекратит свое движение, так же как при постоянной ЭДС конденсатор только зарядится и на этом прекратится дальнейшее движение электронов в цепи.

А теперь как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока вы можете посмотреть в следующем видео:

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Подача — обратное напряжение

Когда анодный ток снижается до значения, меньшего тока удержания, тиристор переходит в запертое состояние. Обычно запирание проводящего ток тиристора производится путем подачи обратного напряжения . [31]

Основной элемент полупроводникового параметрического стабилизатора — так называемый кремниевый стабилитрон ( КС), или диод Зе-нера. Принцип его действия заключается в следующем: при подаче больших обратных напряжений наступает как бы пробой диода, ток в обратном направлении резко возрастает, но при уменьшении напряжения так же резко спадает. Как видно из рис. 8.6, при увеличении напряжения на диоде от нуля до t / CT ток через диод практически не протекает. Когда же напряжение достигает значения t / CT, ток быстро возрастает при сравнительно малом изменении падения напряжения на стабилитроне. [33]

При переключении кремниевого диода, например, типа 1 N482, из состояния прямой проводимости на обратное напряжение требуется определенное время для восстановления высокого значения обратного сопротивления. Это время восстановления зависит от величины прямого тока, непосредственно предшествующего подаче обратного напряжения , и от сопротивления управляющего источника после установления обратного напряжения. Обычно для этого типа диодов время восстановления будет больше времени рассасывания и спада транзистора Т4 при отсутствии обратного тока базы. Следовательно, если при запирании транзистора Т4 в его базовой области находятся задержанные заряды, замедляющие процесс выключения, напряжение базы V2 падает ниже V. Кремниевый диод, обладающий большим временем восстановления, пропускает значительный обратный ток и ускоряет процесс выключения. Обратный ток кремниевого диода и ток 0 1 ма, протекающий через R В, обеспечивают такую же скорость выключения, что и в обычных схемах с непосредственными связями. [34]

В результате детального изучения схемы и методики испытаний было установлено, что при испытаниях системы управляемого снаряда на поляризованный танталовый конденсатор подавалось очень небольшое обратное напряжение. Чтобы выяснить, может ли это напряжение вывести конденсатор из строя, была составлена схема подачи обратного напряжения на 10 образцов конденсатора. [35]

В результате детального изучения схемы и методики испытаний было установлено, что при испытаниях системы управляемого снаряда на поляризованный танталовыи конденсатор подавалось очень небольшое обратное напряжение. Чтобы выяснить, может ли это напряжение вывести конденсатор из строя, была составлена схема подачи обратного напряжения на 10 образцов конденсатора. [36]

Измерительным прибором служит двухлучевой осциллограф типа С1 — 16Б или СИ-17, на один вход которого с безынд ктивного шунта подается импульс тока, протекающего через ИВ, на второй — напряжение анод — катод испытуемого тиристора. Плавно сдвигая по фазе импульс управления, подаваемый на ВУ3, можно перемещать импульс повторно прикладываемого прямого напряжения относительно момента подачи обратного напряжения . В схеме ( рис. 2 — 42) трансформаторы Tpi л Тр2 имеют следующие конструктивные данные: Tpi — 220 / 1600, мощность 0 5 кв — а, Тр2 — 220 / 380, мощность 2 500 в а. [37]

Электронно-дырочный переход, являющийся двойным слоем разноименных зарядов, ведет себя как плоский конденсатор, диэлектриком которого является запорный слой. Емкость этого конденсатора называется зарядной или барьерной емкостью Сб. При подаче обратного напряжения толщина запорного слоя увеличивается, а зарядная емкость уменьшается. [38]

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. Работа в активном режиме происходит в том случае, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. [39]

Обычно излучение светодиода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при их инжекции под действием прямого напряжения на электронно-дырочном переходе. Рекомбинация носителей может происходить как в прилегающих к p — n — переходу областях, так и в самом p — n — переходе. Иногда возбужденное состояние носителей заряда в светодиоде создают подачей обратного напряжения , при котором происходит ударная ионизация атомов полупроводника в р-п-переходе с последующей рекомбинацией неравновесных носителей заряда. [40]

Применение тиристоров не ограничивается однофазными схемами переменного тока. Они могут быть использованы и в многофазных схемах вместо обычных неуправляемых вентилей. Независимо от типа применяемой выпрямительной схемы, к ней предъявляются следующие два основных требования: схема должна позволять подавать в определенное время пусковые сигналы для отпирания тиристоров и обеспечивать запирание тиристоров подачей обратного напряжения . [41]

В этом случае электроны из металла переходят на свободные и более низкие дополнительные акцепторные уровни атомов примеси в полупроводнике. При этом на границе с металлом образуется объемный отрицательный заряд из отрицательных ионов примеси, а на поверхности металла положительный заряд. По аналогии с предыдущим случаем совершенно ясно, что при подаче обратного напряжения от внешнего источника ( плюс на металл, минус на полупроводник) обратный ток будет незначительный, а при другой полярности потечет прямой ток большой величины. [43]

Однако полученные элементы уступают германиевым диодам с золотой связкой или кремниевым диодам. Другой недостаток селеновых диодов состоит в том, что они имеют относительно большую емкость, колеблющуюся от 0 0015 до 0 0078 мкф на I см2 в зависимости от обратного напряжения, при котором они работают. Увеличение количества последовательных элементов для уменьшения емкости приводит к увеличению и без того большого прямого падения напряжения. Кроме того, селеновые диоды теряют свои выпрямляющие свойства при продолжительной работе с прямым током без подачи обратного напряжения . [44]

Работа идеализированного мощного выпрямителя показана на фиг. Такой прибор должен пропускать большие прямые токи без падения напряжения и не проводить ток в обратном направлении. Реальные полупроводниковые диоды имеют характеристики, подобные показанной на фиг. Здесь существует некоторое пороговое напряжение I / O, начиная с которого развивается значительный прямой ток, и последовательное ( прямое) сопротивление Rs. Ток, протекающий через прибор при подаче обратного напряжения , обусловлен объемной и поверхностной утечкой и обычно возрастает с увеличением обратного напряжения. При обратном напряжении Vb диод пробивается. Для эффективного выпрямителя напряжение V0, сопротивление Rs и обратные токи утечки должны быть минимальными, а Уь — возможно большим. [45]

Заряд и разряд конденсатора

Для того чтобы зарядить конденсатор, необходимо включить его в цепь постоянного тока. На рис. 1 показана схема заряда конденсатора. Конденсатор С присоединен к зажимам генератора. При помощи ключа можно замкнуть или разомкнуть цепь. Рассмотрим подробно процесс заряда конденсатора.

Генератор обладает внутренним сопротивлением. При замыкании ключа конденсатор зарядится до напряжения между обкладками, равного э. д. с. генератора: Uс = Е. При этом обкладка, соединенная с положительным зажимом генератора, получает положительный заряд (+ q ), а вторая обкладка получает равный по величине отрицательный заряд ( -q ). Величина заряда q прямо пропорциональна емкости конденсатора С и напряжению на его обкладках: q = CUc

P ис. 1 . Схема заряда конденсатора

Для того чтобы обкладки конденсатора зарядились, необходимо, чтобы одна из них приобрела, а другая потеряла некоторое количество электронов. Перенос электронов от одной обкладки к другой совершается по внешней цепи электродвижущей силой генератора, а сам процесс перемещения зарядов по цепи есть не что иное, как электрический ток, называемый зарядным емкостным током I зар.

Зарядный ток в цени протекает обычно тысячные доли секунды до тех пор, пока напряжение на конденсаторе достигнет величины, равной э. д. с. генератора. График нарастания напряжения на обкладках конденсатора в процессе его заряда представлен на рис. 2,а, из которого видно, что напряжение Uc плавно увеличивается, сначала быстро, а затем все медленнее, пока не станет равным э. д. с. генератора Е. После этого напряжение на конденсаторе остается неизменным.

Рис. 2. Графики напряжения и тока при заряде конденсатора

Пока конденсатор заряжается, по цепи проходит зарядный ток. График зарядного тока показан на рис. 2,б. В начальный момент зарядный ток имеет наибольшую величину, потому что напряжение на конденсаторе еще равно нулю, и по закону Ома io зар = E/ R i , так как вся э. д. с. генератора приложена к сопротивлению R i.

По мере того как конденсатор заряжается, т. е. возрастает напряженно на нем, для зарядного тока уменьшается. Когда напряженно па конденсаторе уже имеется, падение напряжения на сопротивление будет равно разности между э. д. с. генератора и напряжением на конденсаторе, т. е. равно Е — U с. Поэтому i зар = (E-Uс)/R i

Отсюда видно, что с увеличением Uс уменьшается i зар и при Uс = E зарядный ток становится равным нулю.

Про закон Ома подробнее смотрите здесь: закон Ома для участка цепи

Продолжительность процесса заряда конденсатора зависит от двух величии:

1) от внутреннего сопротивления генератора R i ,

2) от емкости конденсатора С.

На рис. 2 показаны графики нарядных токов для конденсатора емкостью 10 мкф: кривая 1 соответствует процессу заряда от генератора с э. д. с. Е = 100 В и с внутренним сопротивлением R i = 10 Ом, кривая 2 соответствует процессу заряда от генератора с такой же э. д. с, но с меньшим внутренним сопротивлением: R i = 5 Ом.

Из сравнения этих кривых видно, что при меньшем внутреннем сопротивлении генератора сила нарядного тока в начальный момент больше, и поэтому процесс заряда происходит быстрее.

Рис. 2. Графики зарядных токов при разных сопротивлениях

На рис. 3 дается сравнение графиков зарядных токов при заряде от одного и того же генератора с э. д. с. Е = 100 В и внутренним сопротивлением R i = 10 ом двух конденсаторов разной емкости: 10 мкф (кривая 1) и 20 мкф (кривая 2).

Величина начального зарядного тока io зар = Е/ Ri = 100/10 = 10 А одинакова для обоих конденсаторов, по так как конденсатор большей емкости накапливает большее количество электричества, то зарядный его ток должен проходить дольше, и процесс заряда получается более длительным.

Рис. 3. Графики зарядных токов при разных емкостях

Отключим заряженный конденсатор от генератора и присоединим к его обкладкам сопротивление.

На обкладках конденсатора имеется напряжение U с, поэтому в замкнутой электрической цепи потечет ток, называемый разрядным емкостным током i разр.

Ток идет от положительной обкладки конденсатора через сопротивление к отрицательной обкладке. Это соответствует переходу избыточных электронов с отрицательной обкладки на положительную, где их недостает. Процесс рам ряда происходит до тех пор, пока потенциалы обеих обкладок не сравняются, т. е. разность потенциалов между ними станет равном нулю: Uc=0 .

На рис. 4, а показан график уменьшения напряжения на конденсаторе при разряде от величины Uc о =100 В до нуля, причем напряжение уменьшается сначала быстро, а затем медленнее.

На рис. 4,б показан график изменения разрядного тока. Сила разрядного тока зависит от величины сопротивления R и по закону Ома i разр = Uc / R

Рис. 4. Графики напряжения и токов при разряде конденсатора

В начальный момент, когда напряжение па обкладках конденсатора наибольшее, сила разрядного тока также наибольшая, а с уменьшением Uc в процессе разряда уменьшается и разрядный ток. При Uc=0 разрядный ток прекращается.

Продолжительность разряда зависит:

1) от емкости конденсатора С

2) от величины сопротивления R , на которое конденсатор разряжается.

Чем больше сопротивление R , тем медленнее будет происходить разряд. Это объясняется тем, что при большом сопротивлении сила разрядного тока невелика и величина заряда на обкладках конденсатора уменьшается медленно.

Это можно показать на графиках разрядного тока одного и того же конденсатора, имеющего емкость 10 мкф и заряженного до напряжения 100 В, при двух разных величинах сопротивления (рис. 5): кривая 1 — при R = 40 Ом, i оразр = Uc о/ R = 100/40 = 2,5 А и кривая 2 — при 20 Ом i оразр = 100/20 = 5 А.

Рис. 5. Графики разрядных токов при разных сопротивлениях

Разряд происходит медленнее также тогда, когда емкость конденсатора велика. Получается это потому, что при большей емкости на обкладках конденсатора имеется большее количество электричества (больший заряд) и для стекания заряда потребуется больший промежуток времени. Это наглядно показывают графики разрядных токов для двух конденсаторов раиной емкости, заряженных до одного и того же напряжения 100 В и разряжающихся на сопротивление R =40 Ом (рис. 6 : кривая 1 — для конденсатора емкостью 10 мкф и кривая 2 — для конденсатора емкостью 20 мкф).

Рис. 6. Графики разрядных токов при разных емкостях

Из рассмотренных процессов можно сделать вывод, что в цепи с конденсатором ток проходит только в моменты заряда и разряда, когда напряжение на обкладках меняется.

Объясняется это тем, что при изменении напряжения изменяется величина заряда на обкладках, а для этого требуется перемещение зарядов по цепи, т. е. по цепи должен проходить электрический ток. Заряженный конденсатор не пропускает постоянный ток, так как диэлектрик между его обкладками размыкает цепь.

В процессе заряда конденсатор накапливает энергию, получая ее от генератора. При разряде конденсатора вся энергия электрического поля переходит в тепловую энергию, т. е. идет на нагрев сопротивления, через которое разряжается конденсатор. Чем больше емкость конденсатора и напряжение на его обкладках, тем больше будет энергия электрического поля конденсатора. Величина энергии, которой обладает конденсатор емкостью С, заряженный до напряжения U, равна: W = W с = С U 2 /2

Пример. Конденсатор С=10 мкф заряжен до напряжении U в = 500 В. Определить энергию, которая выделится в вило тепла на сопротивлении, через которое разряжается конденсатор.

Решение. Пpи разряде вся энергия, запасенная конденсатором, перейдет в тепловую. Поэтому W = W с = С U 2 /2 = (10 х 10 -6 х 500)/2 = 1,25 дж.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Измерение емкости

Чтобы провести измерение емкости, мультиметр выполняет зарядку конденсатора от известного источника тока, измеряет результирующее напряжение, а затем вычисляет емкость.

Предупреждение! Исправный конденсатор сохраняет электрический заряд и может оставаться под напряжением после отключения питания. Прежде чем коснуться его, а также перед выполнением измерений: а) отключите питание, б) с помощью мультиметра убедитесь, что питание отключено, в) осторожно разрядите конденсатор, подключив резистор к выводам (как указано в следующем абзаце). Обязательно используйте соответствующие средства индивидуальной защиты.

Для безопасной разрядки конденсатора: После отключения питания подключите резистор на 20 000 Ом, 5 Вт к клеммам конденсатора на пять секунд. С помощью мультиметра убедитесь, что конденсатор полностью разряжен.

1. С помощью цифрового мультиметра (DMM) убедитесь, что в контуры не поступает питание. Если конденсатор встроен в цепь переменного тока, настройте мультиметр на измерение напряжения переменного тока. Если конденсатор встроен в цепь постоянного тока, настройте цифровой мультиметр на измерение напряжения постоянного тока.
2. Осмотрите конденсатор. При наличии утечек, трещин, вздутий или других признаков износа замените конденсатор.
3. Переведите поворотный переключатель в положение измерения емкости ( ). Этот символ на переключателе часто совмещен с символом другой функции. Для начала измерения обычно требуется не только перевести переключатель в нужное положение, но и нажать функциональную кнопку. Инструкции см. в руководстве пользователя мультиметра.

Для правильного измерения необходимо отсоединить конденсатор от цепи. Разрядите конденсатор, как описано выше в предупреждении.

Примечание. У некоторых мультиметров предусмотрен режим относительных измерений (REL). При измерении малых значений емкости можно использовать режим относительных измерений для устранения емкости измерительных проводов. Чтобы перевести мультиметр в режим относительных измерений, оставьте измерительные провода разомкнутыми и нажмите кнопку REL. Таким образом вы устраните остаточную емкость измерительных проводов.

Общая информация об измерении емкости

Поиск и устранение неисправностей в однофазных электродвигателях является одним из наиболее распространенных способов использования функции измерения емкости.

Невозможность запуска однофазного электродвигателя с конденсатором является признаком неисправности конденсатора. Такие электродвигатели продолжают работать после включения, что усложняет поиск и устранение неисправностей. Хорошим примером такой проблемы является неисправность конденсатора для жесткого запуска на компрессорах системы ОВКВ. Двигатель компрессора может запуститься, но вскоре он перегревается, что приводит к срабатыванию выключателя.

Для проверки состояния конденсатора на однофазных электродвигателях с такими проблемами и шумами требуется мультиметр. Почти на всех конденсаторах электродвигателей указано значение емкости в микрофарадах.

Трехфазные конденсаторы для коррекции коэффициента мощности обычно защищены предохранителями. В случае отказа одного или нескольких конденсаторов эффективность системы снижается, что с большой долей вероятности приводит к увеличению расходов на коммунальные услуги и произвольному отключению оборудования. В случае перегорания предохранителя необходимо измерить емкость в микрофарадах на предположительно неисправном конденсаторе и убедиться, что полученное значение находится в пределах диапазона, указанного на конденсаторе.

Полезно знать некоторые дополнительные обстоятельства, связанные с емкостью.

• Конденсаторы имеют ограниченный срок службы и часто являются причиной неисправности.
• Неисправность конденсатора может быть связана с коротким замыканием, разрывом цепи или физическим ухудшением состояния до точки отказа.
• Короткое замыкание конденсатора может вызвать перегорание предохранителя или повреждение других компонентов.
• В случае разрыва цепи или ухудшения состояния конденсатора возможен отказ цепи или ее компонентов.
• Износ также может изменить значение емкости конденсатора и стать причиной неисправности.