ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 6 страница
Прямое напряжение Uпр , при котором через диод проходит допустимый прямой ток Iпр‑доп , так же как и обратный ток Iобр , соответствующий допустимому обратному напряжению Uобр‑доп , – параметры также довольно близкие для больших групп диодов. Так, для плоскостных диодов прямое напряжение, как правило, составляет 0,3–0,5 в. Как видите, прямое напряжение у плоскостных диодов весьма мало. Несколько больше, но тоже невелико прямое напряжение Uпр у точечных диодов.
Обратный ток Iобр при напряжении Uобр‑доп у плоскостных диодов обычно составляет 0,5–1,5 ма (то есть 500–1500 мка), а у точечных диодов 0,01–0,2 ма (10–200 мка). Во всех случаях обратный ток через диод даже при предельно допустимом обратном напряжении весьма мал. Во всяком случае, обратный ток всегда во много раз меньше прямого.
Зная токи и напряжения, легко подсчитать прямое и обратное сопротивление диода (R = U : I ). Для плоскостных диодов прямое сопротивление обычно очень мало – оно составляет всего 0,1–3 ом (!), а обратное 50–500 ком или даже несколько Мом. Прямое сопротивление точечных диодов чаще всего лежит в пределах от 10 до 100 ом, обратное – от 1 до 10 Мом. Цифры эти полезно запомнить: в дальнейшем они позволят понять, что именно почувствует та или иная электрическая цепь при включении в нее диода.
У нас остался еще один неоплаченный долг – еще один вопрос, который возник при знакомстве с вольтамперной характеристикой диода (стр. 46): с чем связано появление двух изогнутых участков, двух загибов характеристики в районе нулевого напряжения? В поисках ответа нам придется еще раз внимательно посмотреть, что происходит в рn ‑переходе, причем не при прямом его включении и не при обратном, а в том случае, когда диод вообще никуда не включен, когда он предоставлен самому себе.
|
|
|
А действительно, как ведет себя рn ‑переход, когда к нему не приложено никакого напряжения? Начнем с того, что такого случая почти никогда не бывает. Даже если к рn ‑переходу не подключать батареи, то и в этом случае на нем будет действовать небольшое, если можно так сказать, «самодельное» напряжение. Чтобы пояснить, откуда оно берется, нам придется упомянуть еще об одном физическом явлении – о диффузии. С этим явлением, так же, скажем, как с возникновением примесной проводимости или с влиянием температуры на свойства полупроводника, мы будем довольно часто сталкиваться при знакомстве с полупроводниковыми триодами.
Если в каком‑нибудь углу комнаты поставить банку с легко испаряющимся бензином, то его запах через некоторое время заполнит все помещение. Если в стакан чистой воды попадет капля туши, то пройдет несколько минут, и вся вода в стакане почернеет. Если в полупроводниковый кристалл насильно ввести некоторое количество свободных электронов, то вскоре они равномерно распределятся во всем объеме кристалла. Все три примера иллюстрируют хорошо известное физическое явление – диффузию.
|
|
|
Сущность ее состоит в том, что частицы – молекулы, атомы, электроны, – совершая свои обычные хаотические движения, постепенно передвигаются из районов с большой концентрацией в те районы, где этих частиц мало. Диффузия в том и состоит, что вещество старается распределиться равномерно в занимаемом объеме. Можно найти ей немало житейских аналогий, вспомнив, например, как люди равномерно размещаются на огромном пляже.
Диффузия наблюдается и в районе рn ‑перехода. Свободные электроны, сконцентрированные в зоне n , стремятся перейти в зону р , а дырки, наоборот, из зоны р направляются в зону n . Такое движение, казалось бы, должно продолжаться до тех пор, пока во всем кристалле концентрация дырок и электронов не станет одинаковой, пока не исчезнут зоны р и n . Однако этого не происходит. На борьбу с диффузией, которая хотела бы превратить диод в однородный кристалл, вступают могучие силы. Это электрические силы неподвижных зарядов – ионизированных атомов примеси (рис. 23).
|
|
|
Рис. 23. Силы диффузии стремятся ликвидировать рn ‑переход, равномерно «перемешать» свободные заряды в кристалле, однако этому препятствуют электрические силы неподвижных ионов.
Вы, конечно, не забыли, что дырки в зоне р , а свободные электроны в зоне n в нужных нам количествах появляются лишь после введения в полупроводник донорных или акцепторных примесей (рис. 14). Но атомы примеси, отдав свой электрон или, наоборот, забрав электрон у соседа, сами превращаются в неподвижные ионы. Атом донора (отдающий электрон) становится положительным ионом, атом акцептора (забирающий электрон) – отрицательным. Неподвижные ионы равномерно распределены по всему полупроводниковому кристаллу: положительные ионы в зоне n , отрицательные – в зоне р (рис. 12, 13).
Если бы каждая из этих зон существовала сама по себе, то неподвижных ионов никто бы и не заметил: их суммарный заряд компенсировался бы суммарным зарядом свободных зарядов, и в целом зона была бы нейтральной. Но в действительности в полупроводниковом диоде зоны с разной проводимостью примыкают друг к другу. И, как мы только что сказали, из пограничных районов происходит диффузия свободных зарядов в соседнюю зону. Это значит, что в пограничной зоне в районах, непосредственно примыкающих к рn ‑переходу, заряды неподвижных ионов остаются некомпенсированными.
|
|
|
В зоне р остается некомпенсированный неподвижный отрицательный заряд, в зоне n – положительный. Эти неподвижные заряды – заряды ионизированных атомов – как раз и не дают возможность диффузии равномерно разбросать, размазать свободные электроны и дырки по всему кристаллу.
Некоторые свободные электроны еще успевают незамеченными уйти из зоны n . Но чем больше электронов уходит, тем сильнее начинают действовать электрические силы неподвижных положительных ионов, которые удерживают убегающих. Более того, в союзе с положительными ионами зоны n действуют и неподвижные отрицательные ионы зоны р . Они как бы отталкивают прибывающие к ним электроны, возвращают их в зону n . Аналогично действуют неподвижные ионизированные атомы и в отношении убегающих из зоны р дырок. Остающиеся в этой зоне отрицательные ионы тянут эти дырки обратно, а положительные ионы зоны n отталкивают дырки к рn ‑переходу.
Обо всем этом можно сказать и иначе: оставшиеся нескомпенсированными неподвижные ионы пограничной полосы создают некоторое напряжение, «плюс» и «минус» которого приложены непосредственно к pn ‑переходу. Это напряжение, появившееся в результате первоначальной небольшой диффузии свободных носителей, направлено так, что не дает диффузия развернуться во всю свою мощь и сохраняет необходимую концентрацию свободных носителей в обеих зонах полупроводникового диода.
Когда к диоду прикладывают внешнее напряжение, вся картина постепенно меняется: меняется количество носителей, переходящих границу в результате диффузии, меняется количество носителей, переходящих границу под действием электрических сил. Да и сами эти электрические силы меняются – ведь теперь они являются результатом совместного действия батареи и собственного «самодельного» напряжения на pn ‑переходе. Не стремясь разобраться в тонкостях этих событий, мы отметим лишь две их особенности.
Если увеличивать от нуля прямое напряжение, приложенное к диоду, то вначале это напряжение в какой‑то степени будет компенсироваться собственным напряжением pn ‑перехода (эти напряжения действуют друг против друга). В результате ток через диод будет нарастать сравнительно медленно, и в начале правой (положительной) ветви ной характеристики появится небольшой загиб.
При обратном включении диода собственное напряжение pn ‑перехода содействует, помогает внешнему напряжению (оба напряжения действуют в одну сторону). Пока внешнее напряжение мало, помощь эта весьма ощутима, и ток растет сравнительно быстро. Так появляется загиб в начале левой (отрицательной) ветви вольтамперной характеристики.
Мы рассказали о полупроводниковом диоде все. Разумеется, не все, что можно было, и даже не все, что хотелось. Мы рассказали о проводниковом диоде то, что нужно для облегчения знакомства с транзистором. И хотя путь к транзистору уже открыт, мы еще раз отклонимся от своей главной цели. Нужно до конца выполнить свой долг перед диодом: уделив так много внимания его устройству, характеристикам, параметрам, мы должны хотя бы коротко сказать о профессиях полупроводникового диода, о схемах, в которых он работает.
ПРИБОР СКРОМНЫХ ПРОФЕССИЙ
Мы назвали полупроводниковый диод прибором скромных профессий – именно таким он представляется начинающим и не только начинающим радиолюбителям. Это представление, по‑видимому, связано с тем, что чаще всего диод работает в схемах выпрямителей. Благодаря своей односторонней проводимости диод позволяет превратить переменный ток в постоянный, а этот постоянный ток идет на всякие вспомогательные нужды: для питания радиоламп и транзисторов, для зарядки аккумуляторов, для создания постоянных магнитных полей и т. п.
Иногда, правда, диоду доверяют и более тонкую работу – детектирование радиосигналов. Но и здесь диод делает то же, что и в выпрямителе: пропускает ток только в одну сторону. Детектор – это тоже весьма скромная, не требующая особого образования профессия полупроводникового диода.
Однако если взглянуть на дело глубже, окажется, что диод всегда выполняет операцию исключительной важности: он меняет форму электрических сигналов, преобразует их спектр. Окажется, что диод является главным представителем нескольких важнейших для всей радиоэлектроники профессий, представителем огромной самостоятельной области – нелинейной радиоэлектроники.
Научившись описывать сигнал с помощью графика (рис. 3), мы сделали лишь полдела. Важно еще суметь точно (именно точно!) описать, чем один сигнал отличается от другого, в чем похожи, а в чем непохожи их графики. Один из способов такого точного описания был предложен больше ста лет назад, когда никакой радиоэлектроники не было и в помине. Французский математик Жан‑Батист‑Жозеф Фурье решил задачу в общем, так сказать, в абстрактном виде, и лишь через много лет предложенный им способ нашел применение во многих областях техники. В том числе и в радиоэлектронике.
Представьте себе, что вам нужно с помощью карты измерить площадь какого‑либо водоема, например Черного моря. В этом случае можно поступить так: разбить всю поверхность моря на квадраты, подсчитать площадь каждого из них, а затем все полученные результаты сложить. При этом на карте разместятся два‑три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец, множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизведут сложные очертания морских берегов (рис. 24).
Рис. 24. Сигнал сложной формы можно представить как сумму синусоидальных составляющих с разными частотами; набор составляющих, эквивалентный сложному сигналу, называется его спектром.
Подобным же образом для точного описания сложного сигнала можно представить его как сумму стандартных составляющих– сигналов с разными частотами и амплитудами, но обязательно с одинаковыми по форме графиками. Научившись разбивать сложный сигнал на простые стандартные составляющие (подобно тому как на карте мы разбили Черное море на составляющие стандартной формы – квадраты), можно будет довольно просто составить точное описание этого сигнала. Нужно будет лишь назвать набор стандартных составляющих, которые в сумме дадут этот сложный сигнал. В качестве стандартной составляющей для измерения поверхности моря мы выбрали квадрат, хотя могли выбрать прямоугольник, ромб, круг и множество других широко известных и хорошо изученных фигур. Квадрат мы выбрали в основном потому, что измерить его площадь проще, чем площадь других фигур. Что касается стандартных составляющих, из которых лучше всего можно было бы составить сложный электрический сигнал, то выбирать эти составляющие нам не придется. Их уже давно выбрала и узаконила наука. Более того, эти составляющие выбраны самой природой. И эта честь оказана простейшим сигналам с синусоидальной формой графика.
Для того чтобы детально пояснить, почему именно синусоида была выбрана в качестве стандартной составляющей, нужно было бы написать отдельную и притом довольно большую книгу. Мы ограничимся лишь тем, что выскажем по этому поводу несколько «за».
Во‑первых, синусоидальные колебания – это одна из простейших и наиболее естественных форм движения, подобно тому как квадрат или круг – простейшая геометрическая фигура. Графики многих природных процессов – световых и звуковых колебаний, колебаний маятника, движения волн и многих других – представляют собой синусоиды. Во‑вторых, синусоида – это единственный график, скорость изменения которого представляет собой опять‑таки синусоиду. Это значит, что если мы возьмем синусоидальный сигнал и посмотрим, как изменяется скорость его нарастания или убывания, а затем построим график изменения этой скорости, то опять получим синусоиду. Это очень важное качество, так как многие процессы в электрических цепях зависят не от самой величины тока или напряжения, а именно от скорости их изменения.
В качестве примера такой зависимости рассмотрим, разумеется упрощенно, как возникает ток в цепи слюдяного конденсатора под действием переменного напряжения.
Как известно, свободные заряды через диэлектрик, в данном случае через слюду, конденсатора пройти не могут. Но под действием приложенного напряжения несколько сдвигаются, деформируются электронные орбиты атомов слюды. Происходит некоторое небольшое движение электронов (оно называется током смещения), но без их выхода из атомов. В результате деформации орбит с одной стороны диэлектрика (именно с той стороны, куда сместились орбиты) появляется отрицательный заряд, а с другой стороны появляется положительный заряд. Эти заряды притягивают или отталкивают свободные электроны в проводниках, подключенных к конденсатору, и в этих проводниках возникает ток проводимости. Однако все эти события – смещение орбит и движение электронов в проводниках – происходят лишь в тот момент, когда меняется напряжение, подведенное к конденсатору.
Если к конденсатору приложено постоянное напряжение, пусть даже очень большое, то смещенные некогда орбиты находятся в состоянии покоя и никакого движения зарядов, никакого тока в конденсаторе и во внешней цепи нет. Но стоит только напряжению измениться, как заряды совершат некоторый дополнительный сдвиг: при увеличении напряжения – в одну сторону, при уменьшении – в другую. Отсюда вывод: ток в цепи конденсатора протекает только в момент изменения напряжения. И еще один вывод: чем быстрее меняется напряжение, тем быстрее смещаются заряды, тем больше ток в цепи. Вот почему график тока через конденсатор по сути дела представляет собой график скорости изменения напряжения, приложенного к этому конденсатору. Графики эти всегда различны по форме (рис. 25), за исключением только одного случая – синусоидального напряжения. Только синусоидальное напряжение создает в цепи конденсатора ток такой же формы – синусоидальный переменный ток. Это замечательное и уникальное свойство синусоидального сигнала проявляется не только в конденсаторах, но еще и в катушках и трансформаторах, во всех так называемых реактивных элементах электрических цепей.
Рис. 25. Ток в цепи конденсатора протекает только при изменении напряжения на нем, и поэтому графики напряжения и тока (кроме синусоиды) различны.
Наконец, третье «за». Выбрав квадрат в качестве стандартной составляющей при разметке поверхности моря на карте, мы можем довольно просто расчертить эту поверхность, а если нужно, даже разрезать ее на составляющие. Вырезать квадрат из бумаги не составляет никакого труда. Подобно этому любой сложный сигнал можно довольно просто разделить на синусоидальные (именно на синусоидальные!) составляющие. Делается это с помощью резонансных электрических фильтров, в частности с помощью колебательных контуров. Такой контур состоит из соединенных друг с другом конденсатора и катушки (Воспоминания № 18 и № 20).
Если ввести в контур порцию электрической энергии, зарядив конденсатор или создав магнитное поле в катушке, то в контуре начнутся свободные колебания, появится переменный ток. Этот процесс очень напоминает колебания гитарной струны, которой вы также передаете порцию энергии, тронув эту струну пальцами. И, подобно тому как частота колебаний струны зависит от ее массы и силы натяжения (чем тоньше струна и чем сильнее она натянута, тем выше частота колебаний), подобно этому частота электрических колебаний в контуре зависит от емкости С конденсатора и индуктивности L катушки. Чем меньше емкость С и индуктивность L , тем выше частота колебаний.
Переменный ток, который возникает в колебательном контуре, по форме очень близок к синусоиде (в идеальном контуре, без потерь энергии, график тока – это настоящая, идеальная синусоида). Определенным образом включив колебательный контур в цепь со сложным сигналом, мы увидим, что контур выделит из этого сигнала синусоидальную составляющую своей собственной частоты (если, конечно, такая составляющая есть в сигнале). Пропустив сложный сигнал через достаточное количество настроенных контуров, можно выделить из этого сложного сигнала все его синусоидальные составляющие.
Можно не сомневаться, что после трех высказанных «за» простейшие синусоидальные сигналы будут без возражений утверждены в должности стандартных составляющих сложного сигнала. Синусоидальные колебания часто называют гармоническими, а синусоидальные составляющие сложного сигнала – гармониками. Любой сложный сигнал принято официально характеризовать его спектром – набором гармоник с указанием их амплитуды. А результат прохождения сигнала по какой‑либо цепи можно оценивать по тому, как изменился его спектр, какие новые гармоники появились в этом сигнале, какие усилились, какие ослабились. Именно с этих позиций мы и рассмотрим сейчас работу полупроводникового диода.
Включим диод в схему простейшего выпрямителя (рис. 26) и подведем к нему синусоидальное переменное напряжение.
Рис. 26. Под действием переменного напряжения в цепи диода протекает пульсирующий ток, который состоит из постоянной и переменной составляющих.
Для простоты будем считать, что диод имеет идеальную характеристику, что его обратный ток равен нулю, то есть обратное сопротивление бесконечно велико. Обычно разница между прямым и обратным током диода настолько велика, что подобное допущение вполне справедливо.
Под действием переменного напряжения в цепи диода пойдет пульсирующий ток – импульсы тока будут появляться только тогда, когда переменное напряжение приложено к диоду в прямом направлении. Иными словами, ток будет протекать лишь в течение одной половины периода переменного напряжения. Отсюда и название схемы – однополупериодный выпрямитель.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 128; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!