3.1.2. Фильтры
Чтобы преобразовать пульсирующее напряжение в почти постоянное напряжение, используют сглаживающие фильтры.
- Емкостной фильтр. Простейший фильтр – электролитический конденсатор большой ёмкости Сф, включенный параллельно нагрузке (рис. 16).
Рис.16. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром и временные диаграммы
В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя Uвх больше напряжения на нагрузке Uн и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника (интервал времениt1-t2) . Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через Rн, предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке(интервал времени t2-t3). Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.
Конденсатор обеспечивает хорошее сглаживание, если его сопротивление на частоте основной гармоники пульсаций ωп намного меньше сопротивления нагрузки:
В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (Uн ≈const).
Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения происходит за счет периодической зарядки конденсатора С (когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки.
Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки.
- Индуктивный фильтр. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 17). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.
Рис. 17.Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром
Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).
3.1.3. Стабилизаторы напряжения
В процессе работы ИВЭП напряжение на выходе сглаживающего фильтра может изменяться из-за колебаний сопротивления нагрузки, напряжения первичного источника и других факторов. Если отклонения напряжения превышают допустимую величину, в схему ИВЭП вводят стабилизаторы – устройства, обеспечивающее малые изменения выходного напряжения.
Для стабилизации уровня постоянного напряжения используется полупроводниковый диод — стабилитрон. На его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока. Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой.Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным включением.
Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне показана на рис. 18. Схема представляет делитель напряжения, состоящий из резистора R0 и стабилитрона VD. Нагрузочный резистор Rн включен параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение стабилитрона почти постоянно, постоянным будет и напряжение на нагрузке. Резистор Ro задаёт ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальным током стабилизации.
При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации.Следовательно, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст.min до Iст.max.
Рис. 18 ВАХ и схема включения стабилитрона
3.2. Фотодиоды
Фотодиод — полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, в котором происходит процесс преобразования световой энергии в электрическую.
Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p—n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р—n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).
Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности.
Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах.
— фотопреобразователя;- фотогенераторном.
- В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии,который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения (рис.19,а).
Рис. 19. Работа фотодиода: а-в режиме фотопреобразователя; б-в режиме фотогенератора
- В фотогенераторном режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки (рис. 19,б).
Семейство ВАХ фотодиода состоит из 4 квадрантов (рис. 20).
Фотопреобразовательному режиму соответствует работа в III квадранте. При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется темновым током обратно смещенного p-n перехода.
При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.
Обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. 
Рис. 20 Семейство ВАХ фотодиода
Фотогенераторному режимусоответствует работа фотодиода в IV квадранте. Здесь можно выделить два предельных случая:
— холостой ход (хх),
— короткое замыкание (кз).
Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%.
В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков, фототок которых пропорционален световому потоку.
3.3. Светодиоды
Светодиодом— полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
При прямом включении основные носители заряда переходят через p-n переход и там рекомбинируют, что создает электрический ток (рис. 21). Рекомбинация связана с выделением электромагнитного излучения и тепловой энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. При обратном включении p-n –перехода рекомбинация отсутствует.
Рис. 21 Схема p-n-перехода светодиода
Рекомбинация может быть и излучательной. В тот момент, когда происходит столкновение электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона. Длина волны излучаемых электромагнитных волн (квантов) зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, которая должна быть достаточно велика и превышать ΔWз = 1,8 эВ. Поэтому спектр выделяемого электромагнитного излучения зависит от полупроводниковых материалов.
Для изготовления светодиодов обычно используют фосфид или арсенид галлия(красный или желтый свет), нитрид галлия (зелено-синий свет) и некоторые другие.
Светодиоды применяются для производства осветительных приборов, индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах.