T15 Elementy pólprzewodnikowe - Co i gdzie?gdzie.pl/mczakan/T15_Elementy polprzewodnikowe.pdf · Układy prostownicze Prostowniki są przekształtnikami prądu przemiennego w prąd

Elementy półprzewodnikowe

Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Elementy elektroniczne i ich zastosowanie.

Elementy stosowane w elektronice w większości oparte są na

technologii półprzewodnikowej.

Możemy podzielić je na:

• diody

• tranzystory

• tyrystory

• elementy optoelektroniczne

• rezystory, kondensatory, cewki

Diody:

Są wykonane w postaci pojedynczego złącza NP

Dioda posiada anodę i katodę.

Prąd przewodzi jedynie w jednym kierunku (od anody do katody).

Wtedy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia.

Przy przeciwnej polaryzacji napięcia następuje polaryzacja diody w

kierunku zaporowym i dioda nie przewodzi prądu.

Możemy podzielić je między innymi na:

• prostownicze

• Zenera (stabilizacyjne)

• sygnałowe

• pojemnościowe (warikapy)

Diody prostownicze

Są elementami półprzewodnikowymi pasywnymi o pojedynczym

złączu PN, przeznaczonymi przede wszystkim do przekształcania prądu

zmiennego w jednokierunkowy prąd pulsujący.

Podstawowymi parametrami diody są:

• dopuszczalne średnie napięcie przewodzenia UF(AV)

• dopuszczalny średni prąd przewodzenia IF(AV)

• napięcie progowe U(TO) (Si – 0,6-0,8 V; Ge – 0,2-0,3 V)

• napięcie przebicia U(BR)

• powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM

Rys.: Diody prostownicze

Diody stabilizacyjne (Zenera)

Dioda ta jest wykorzystywana przy pracy w kierunku zaporowym.

W kierunku przewodzenia jej praca nie różni się od pracy diody

prostowniczej. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym, po dojściu jej

napięcia do poziomu UZ nazywanego napięciem Zenera, dioda zaczyna

przewodzić. Poziom napięcia Zenera zależy od rezystywności użytego

półprzewodnika i może wynosić od 2 do 400 V.

Diody te są powszechnie wykorzystywane w układach stabilizacji

napięcia.

Rys. Zastosowanie diody Zenera w układzie stabilizacyjnym.

Diody sygnałowe

Diody sygnałowe i detekcyjne są stosowane w układach detekcji

sygnałów wielkiej częstotliwości. Do diod tych zaliczamy między innymi:

• diody zwrotne (duży prąd w kierunku zaporowym)

• diody impulsowe (przełaczające)

• diody Schottky’ego

• diody tunelowe (z rezystancją wsteczną)

Rys. Charakterystyka prądowo

napięciowa diod: 1 – zwrotnej, 2 –

tunelowej

Diody pojemnościowe

Diody pojemnościowe posiadają zmienną pojemność, zależną od

napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym.

Układy prostownicze

Prostowniki są przekształtnikami prądu przemiennego w prąd stały.

Można rozróżnić prostowniki sterowane i niesterowane. Można

również podzielić prostowniki na:

• jednofazowe półfalowe (półokresowe)

• jednofazowe pełnookresowe jednokierunkowe

• jednofazowe pełnookresowe mostkowe (Graetza)

• trójfazowe jednokierunkowe

• trójfazowe mostkowe

W prostownikach niesterowanych stosuje się diody. W

prostownikach sterowanych stosuje się tyrystory i tranzystory.

Umożliwiają one regulację wartości napięcia wyprostowanego

Napięcie wyprostowane nie jest stałe w czasie. Występują w nim

składowe zmienne w postaci tętnień, których wartość jest zależna od

rodzaju prostownika.

Aby zniwelować udział tętnień, stosuje się na wyjściu

prostowników filtry prostownicze.

Tranzystory

Tranzystory są elementami umożliwiającymi realizację układów

wzmacniających umożliwiających sterowanie przepływem dużej mocy

sygnałem małej mocy. Stanowią rodzaj zaworu, który umożliwia

regulację przepływu prądu.

Ze względu na zasadę działania rozróżniamy:

• tranzystory bipolarne – ich działanie jest oparte na przepływie

ładunków większościowych i mniejszościowych

• tranzystory unipolarne (polowe) – przepływ prądu zachodzi za

pośrednictwem nośników tylko jednego znaku - ładunków

większościowych

Tranzystory bipolarne

Są wykonywane w technologii PNP lub NPN.

Posiadają trzy wyprowadzenia:

• B – baza (wykorzystywana najczęściej do sterowania)

• E – emiter (wysyła ładunki elektryczne)

• C – kolektor (zbiera ładunki elektryczne)

Tranzystor może pracować w jednym z trzech układów:

• wspólnej bazy (WB)

• wspólnego emitera (WE)

• wspólnego kolektora (WK)

Rys. Struktura i symbole tranzystorów NPN i PNP

Tranzystor NPN w stanie przewodzenia

Tranzystory są sterowane prądem bazy.

Tranzystory unipolarne

Tranzystory unipolarne dzielimy na złączowe i z izolowaną bramką.

Tranzystory polowe posiadają wyprowadzenia:

• S – źródło (odp. emitera)

• D – dren (odp. kolektora)

• G – bramka (odp. bazy)

Mogą pracować w układach:

• WS – wspólnego źródła

• WG – wspólnej bramki

• WD – wspólnego drenu

Tranzystory są sterowane napięciem (potencjałem) bramki.

Tyrystory

Tyrystor jest diodą załączalną. Podobnie jak dioda posiada

anodę (A) i katodę (K) oraz dodatkowo bramkę (G). Tyrystor

spolaryzowany w kierunku przewodzenia pozostaje w stanie

blokowania i potrzebuje impulsu prądowego podanego na bramkę żeby

przejść do stanu przewodzenia. Żeby wyłączyć tyrystor trzeba

spolaryzować go - podobnie jak diodę - zaporowo.

Triaki

Triak jest tyrystorem o możliwości przewodzenia w obu

kierunkach.

Diaki

Diakiem nazywamy dwukierunkowy tyrystor diodowy symetryczny.

Chłodzenie elementów półprzewodnikowych

Wszelkie elementy półprzewodnikowe, zwłaszcza stosowane w

urządzeniach większej mocy, podlegają nagrzewaniu. Część z nich pod

wpływem podwyższonej temperatury może zmienić swoje właściwości,

a nawet ulec trwałemu uszkodzeniu.

W celu zapewnienia odpowiedniego chłodzenia, elementy

narażone na przegrzanie powinny być montowane na specjalnych

konstrukcjach zapewniających dobre odprowadzanie ciepła, zwanych

radiatorami.

Radiatory, dzięki swojej konstrukcji posiadają dużą powierzchnię

umożliwiającą odprowadzanie ciepła. Są jednocześnie wykonane z

materiałów dobrze przewodzących ciepło, głównie z aluminium.

W razie potrzeby na radiatorach mogą być montowane

wentylatory wymuszające odpowiednią cyrkulację powietrza.

Same radiatory, jak i elementy elektroniczne w punktach styczności

powinny być wypolerowane dla lepszego przekazywania ciepła. Często

w celu poprawy przewodności cieplnej, ich punkty wspólne są

pokrywane warstwą pasty silikonowej.

Przykładowe radiatory

Literatura:

J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999

A.Chochowski „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla elektryków”

cz. 2. WSiP 2011