Тема 2. 5 трифазний струм 3 страница

8. Потужність ємнісного елемента

9. Закони комутації

10. Перехідний струм

11. Вимушений струм

12. Вільний струм

13. Сила струму при перехідному процесі на індуктивності

14. Напруга при перехідному процесі на індуктивності

15. Сила струму при перехідному процесі на ємності

16. Напруга при перехідному процесі на ємності

17. Стала часу для RL- кола

18. Стала часу для RС- кола

19. Графіки перехідних струмів і напруги на індуктивності

20. Графіки перехідних струмів і напруги на ємності

Теми рефератів

1. Перехідні процеси в системах електропостачання

Питання до самостійного опрацювання

1. Перехідний процес при підключенні RL -кола до джерела синусоїдної напруги

2. Перехідний процес при відключенні RL -кола від джерела постійної напруги

3. Перехідний процес при відключенні RС -кола від джерела постійної напруги

4. Перехідний процес при зміні параметрів кола

ТЕМА 4.2 КОЛА З РОЗПОДІЛЕНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

План лекції

5.2.1 Параметри однорідної лінії

5.2.2 Рівняння однорідної лінії

4.2.1 ПАРАМЕТРИ ОДНОРІДНОЇ ЛІНІЇ

Раніше розглянуті електричні кола були колами із зосередженими параметрами, тобто вважалось, що електричне коло є сукупністю самостійно існуючих елементів R, L і C, зосереджених в різних її точках. Напруга і струм на цих елементах пов'язувались співвідношеннями (4.1), (4.2), (4.3), основаними на тому, що вхідний струм кожного елемента дорівнював вихідному. Розв'язок цих рівнянь дає закон зміни електричної величини від часу, а не від координати довжини, яка в ці рівняння не входить.

Але подання електротехнічних пристроїв із зосередженими параметрами не завжди можливо. Наприклад, розглядаючи електромагнітні процеси, що проходять в електричних лініях, за допомогою яких електрична енергія передається на відстань, потрібно враховувати, що електричне та магнітне поля розподілені по всій довжині лінії і перетворення електромагнітної енергії і тепло також проходить по всій довжині лінії. Таким чином лінія є колом з розподіленими параметрами.

Якщо виділити ділянку цієї лінії, то струми на кінцях цієї ділянки будуть різними внаслідок наявності струмів зміщення, зумовлених ємністю між провідниками, і струмів витікання через ізоляцію.

Магнітний потік, який зчіплюється з контуром струму, утвореним провідниками визначає індуктивність кола.

Ємність між провідниками, а також ємність цих провідників по відношенню до землі або інших провідників, визначає ємність кола.

Теплові втрати в провідниках з врахуванням поверхневого ефекту і ефекту близькості зумовлюють повздовжній активний опір кола.

Недосконалість ізоляції і діелектричні втрати визначають активну провідність кола.

Однорідною двохпровідною лінією називають коло з розподіленими параметрами, в яких індуктивність, ємність і активний опір рівномірно розподілені вздовж довжини лінії.Однорідна двохпровдна лінія використовується в електропровідному зв'язку і в радіотехніці виконується у вигляді паралельних провідників або коаксіального кабелю.

Рівняння для напруги і струмів такої лінії застосовують і для інших типів ліній – трьохфазних і багато провідних.,

В області радіочастот параметри однорідної двохпровідної лінії з мідними провідниками обчислюють за формулами:

Ом/м, (4.32)

Гн/м, (4.33)

Ф/м. (4.34)

Активна провідність між паралельними провідниками залежить від мете реологічних умов, стану ізоляції та інших факторів і визначається експериментально.

На високих частотах внаслідок значного індуктивного опору активним опором можна знехтувати.

4.2.2. РІВНЯНЯ ОДНОРІДНОЇ ЛІНІЇ. ВИДИ ЛІНІЙ

Напруга і струм в лінії є функціями двох незалежних змінних: просторової координати х, що визначає місце спостереження і часу t, що визначає момент спостереження. Просторово-часовий розподіл величин струму в лінії і напруги між провідниками визначаються телеграфними рівняннями:

, (4.35)

. (4.36)

Лінії, фізична довжина яких співрозмірна з довжиною хвилі, називають довгими лініями.

Сигнали, що передаються по лініям зв’язку є сукупністю багатьох різних частот: дискретних – в випадку періодичних несинусоїдних сигналів і з неперервним спектром – в випадку неперіодичних сигналів.

Неспотвореною передачею сигналу є така передача, при якій форма сигналу на початку і в кінці лінії однакові, тобто всі ординати кривої напруги і струму в кінці лінії прямо пропорційні відповідним ординатам а початку лінії.Таке явище має місце в тому випадку, коли затухання лінії на всіх частотах однакове.

Різне затухання на різних частотах створює амплітудні спотворення, а різна швидкість хвиль на різних частотах – фазові спотворення.

Лінія, по якій сигнали розповсюджуються зі збереженням їх форми називається лінією без спотворень. Лінія без спотворень одночасно є лінією з мінімальним затуханням.

Відношення миттєвих значень напруги і струму в кожній точці такої лінії:

, (4.37)

звідки

. (4.38)

Отже на кожній ділянці лінії без спотворень енергія магнітного поля в кожний момент часу дорівнює енергії електричного поля.

В повітряних лініях індуктивний опір значно перевищує активний опір, а ємнісна провідність перевищує активну провідність. Зі зростанням частоти різниця міх вказаними величинами стає дедалі значнішою. Тому доцільно розглядати лінію, для якої нехтують активними опором і провідністю порівняно з відповідними реактивними складовими – лінію без втрат. В такій лінії затухання відсутнє.

Резистивними називають одновимірні лінії з розподіленими параметрами, в яких відсутні процеси запасу енергії в електричному чи магнітному полі.

Неоднорідними лініями називають одновимірні лінії з розподіленими параметрами, погонні параметри яких змінюють вздовж кола за певними законами.Якщо погонні параметри лінії визначаються експоненціальними законами, такі лінії називають експоненціальними. Експоненціальна лінія без втрат може створювати затримку і трансформування сигналів без їх спотворення.

Питання для самоперевірки знань

1. Коло з зосередженими та коло з розподіленими параметрами

2. Однорідна двох провідна лінія

3. Параметри однорідної двох провідної лінії

4. Телеграфні рівняння

5. Довгі лінії

6. Неспотворена передача сигналу

7. Амплітудні спотворення

8. Фазові спотворення

9. Лінії без спотворень

10. Лінії без втрат

11. Резистивні лінії

12. Неоднорідні лінії

13. Експоненціальні лінії

Теми рефератів

1. Лінії, як узгоджуючі трансформатори

Питання для самостійного опрацювання

1. Періодичний режим в однорідній лінії

2. Стоячі хвилі

3. Потужність в лінії без втрат

4. Лінія в резонансному колі

РОЗДІЛ 5 ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ ТА ПРИСТРОЇ

ТЕМА 5.1 НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

План лекції

5.1.1 Будова і електричні властивості напівпровідників

5.1.2 Власна і домішкова провідність напівпровідників

5.1.3 Призначення та класифікація електронних приладів

5.1.4 Напівпровідникові діоди

5.1.5 Кремнієві стабілітрони і варикапи

5.1.1 БУДОВА Й ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ

До напівпровідників належать: деякі метали (сіре олово), оксиди металів, сульфіди (сполуки сірки), селеніди (сполуки селену), телуриди, деякі сплави тощо. Значна частина напівпровідників має кристалічну будову.

Рис. 5.1 Будова германія

Усі напівпровідники поділяють на три великі групи.

1. Атомні напівпровідники (мають атомну кристалічну решітку) - бор, кремній, фосфор, сірка, германій, селен, цирконій, сіре олово та ін. Ці елементи належать до IV, V, VI груп періодичної системи елементів Менделєєва і становлять компактну групу, вліво від якої-розміщені елементи з вираженими металевими властивостями, впра­во - з металоїдними;

2. напівпровідники з іонною кристалічною решіткою, в якій атоми зв'язані кулонівськими силами, наприклад CdS, РbS;

3. напівпровідникові сполуки з валентними зв'язками, в яких атоми утворюють кристали типу однієї гігантської молекули (карбід кремнію, антимонід індію, арсенід галію та ін.).

Типовими.напівпровідниками є германій (Ge), кремній (Sі). Розглянемо докладніше герма­ній (рис. 5.1). Він належить до IV періоду і IV групи періодичної системи елемен­тів. В електронній оболонці його є 32 електрони. Електрони вну­трішніх насичених шарів не беруть участі в хімічних реакціях. Чотири електрони в зовнішньому шарі N зв'язані з ядром атома слабко (ва­лентні електрони) і можуть вступати в хімічні зв'язки з іншими атомами. У найпростішому випадку такий зв'язок здійснюється двома валентними електронами, які належать обом атомам, що взаємодіють. Зв'язки можуть утворюватися і двома або трьома парами електронів. Такий, хімічний парноелектронний зв'язок атомів називається ковалентним. Коли з окремих атомів германію утворюється кристалічна решітка, то в процесі зближення атомів кожний валентний електрон замість того, щоб обертатись навколо свого ядра, починає обертатися навколо двох ядер - свого й сусіднього. Атоми германію утворюють кубічну решітку, в якій кожний атом зв'язаний парноелектронними зв'язками з чотирма найближчими атомами. Так, зовнішні орбіти кожного атома доповнюються до восьми електронів і утворюється найбільш стійкий стан. На рис. 2.10 зображено плоску діаграму парноелектронного зв'язку. В атомі кремнію 14 електронів, з них 4 - валентні, які взаємодіють з іншими атомами так само, як і в германії.

Електричні властивості напівпровідників залежать від освітленості, дії зовнішніх полів, температури, домішок тощо.

При Т К напівпровідники є ізоляторами, а при високих температурах їх електропровідність наближається до провідності ме­талів. З підвищенням температури електропровідність напівпровідни­ків зростає, тоді як у металів вона зменшується.

5.1.2 ВЛАСНА Й ДОМІШКОВА ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Розрізняють електропровідність напівпровідників власну й до­мішкову. Власна електропровідність напівпровідників зумовлена пе­реміщенням електронів власних атомів, які входять до складу струк­турних елементів кристалічної решітки. Вона буває електронною і дірковою.

Під впливом теплового руху в атомі нейт­рального напівпровідника може порушитися парноелектронний зв'я­зок, якийсь електрон залишить своє місце і перейде до іншого іона. Тоді атом, який віддав свій електрон, стає позитивним іоном. Кажуть, що на місці електрона виник надлишок позитивного заряду, або “позитивна дірка”. Ця дірка поводить себе як елементарний по­зитивний заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона. На місце дірки перейде електрон від іншого атома, і дірка виникне в іншому місці. Цей процес переходу електронів й утворення нових дірок відбувається безладно в усій масі напівпровідника: дірки переходять від одного атома до іншого.

Але слід пам'ятати, що своїм виникненням та переміщенням дірки завдячують рухові електронів. Якщо такий напівпровідник внести в електричне поле, то рух електронів та дірок стане напрямленим; електрон рухатиметься проти поля, а дірки переміщуватимуться в напрямі поля.

Під домішками розуміють введені в кристалічну решітку атоми інших елементів. Навіть незначна частина домішок впливає на елек­тропровідність напівпровідників. Домішки відіграють подвійну роль. В одних випадках вони є додатковими постачальниками електронів у кристалі (атоми таких домішок називаються донорами), а в інших – центрами захоплення електронів у кристалах (атоми таких домішок називаються акцепто­рами – споживачами). Домішкова провідність напівпровідників бу­ває електронна і діркова.

Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш'яку. Германій - чотиривалентний елемент, а миш'як – п'ятивалентний. Коли в кристалічній решітці атом германію заміщується атомом миш'яку, чотири електрони ми­ш'яку утворюють міцний парноелектронний зв'язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон миш'яку слабко зв'я­заний із своїм атомом, стає майже вільним навіть при кімнатній температурі. Домішкові атоми миш'яку є донорами електронів. Під впливом електричного поля в напівпровіднику буде струм провід­ності. Такий напівпровідник має властивість електронної домішкової провідності, або провідності n -типу.

Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій, бор. Коли атом германію заміщується атомом індію, останній утворює міцний зв'язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного парноелектронного зв'язку не вистачає одного елек­трона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює к атомі індію валентний четвертий зв'язок. Атоми індію стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з'являється “позитивна дірка”. Ця дірка заповнюється електроном від сусіднього атома германію. Процес повторюється: дірки безладно перемішуються в об'ємі напівпровідника. Піп впливом електричного поля дірки утворюватимуть струм. Такий тип провідності напівпровідника називається дірковою домішковою провідністю або провідністю p -типу.

Якщо в напівпровіднику є од­ночасно домішки n - і р -типів, то характер провідності залежить від того, які з цих домішок активніші.

5.1.3 ПРИЗНАЧЕННЯ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Електронними називають пристрої, в яких перетворення електричної енергії і сигналів реалізується за допомогою електронних активних елементів (електронних приладів).

Найпростішим видом перетворення є випрямлення змінного струму, більш складними – інвертування постійного струму в змінний, підсилення, генерування і перетворення сигналів різної форми.

Електрична схема пристою включає в себе крім активних елементів (електронних приладів) пасивні компоненти: резистори, конденсатори і котушки індуктивності. Резистори забезпечують режим роботи активних елементів. Конденсатори служать для зв’язку окремих кіл по змінному струму, забезпечуючи розділення їх по постійному струму. Котушки індуктивності використовують для створення коливальних контурів, дроселів, фільтрів.

До електронних приладів відносять діоди, транзистори, тиристори, фоторезистори, фотодіоди, фото транзистори і світлодіоди.

Напівпровідникові прилади розділяють на біполярні та уніполярні.

В біполярних напівпровідникових приладах в перенесенні електричного заряду приймають участь основні та неосновні носії заряду.

В уніполярних приладах перенесення електричних зарядів здійснюють основні носії.

По способу керування електричним струмом активні елементи ділять на дві групи: польові і струмові.

В польових приладах керування відбувається електричним полем. До них відносять уніполярні напівпровідникові прилади.

В струмових приладах керування відбувається електричним струмом. До струмових приладів відносять біполярні транзистори.

5.1.4 НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

Напівпровідниковий діод – активний напівпровідниковий прилад, що має двохшарову структуру утворену в одному кристалі. Один шар має електропровідність n -типу, а другий p -типу. Ці шари розділені шаром з власною електропровідністю; в ньому зосереджений просторовий заряд, позитивно заряджених іонів донорної домішки з боку напівпровідника n -типу, і негативно заряджених іонів акцепторної домішки – з боку напівпровідника p -типу. Цей шар називають запірним, оскільки його електричне поле заважає руху основних носіїв напівпровідників і сприяє руху неосновних носіїв. В цілому ця структура називається електонно-дірковим переходом (n-p- переходом).

Основною властивістю електонно-діркового переходу є його одностороння провідність. Напрям, в якому послаблюється дія запірного шару (позитивний полюс джерела напруги приєднаний до p -області, а негативний до n -області), називається прямим або напрямом пропускання струму, а напрям, при якому підсилюється дія запірного шару (позитивний полюс джерела напруги приєднаний до n -області, а негативний до p -області), називається зворотнім або напрямом запирання.

При прямому зміщенні n-p- переходу його електрична провідність зростає і через переход проходить струм, що сильно залежить від прикладеної напруги.

При зворотньому зміщенні n-p- переходу його електрична провідність зменшується і через переход проходить незначний струм, який слабо залежить від прикладеної напруги (зворотній або тепловий струм).

Рис. 5.2 Будова напівпровідникового діоду

Рис. 5.3 Умовне позначення напівпровідникового діоду

Електонно-дірковий перехід, який має односторонню провідність називають випрямним контактом. Крім нього в діоді є ще два невипрямних контактів, за допомогою яких області напівпровідників (рис. 5.2) з’єднуються із зовнішніми виводами – омічних контактів. Прямий струм діоду направлений від аноду А (шар p -типу) до катоду К (шар n- типу) за “стрілкою” (рис. 5.3).

Рис. 5.4 ВАХ напівпровідникового діоду

Вольт-амперна характеристика діоду наведена на рис.5.3. Крива прямого струму розташована в І квадранті, зворотнього – в ІІІ квадранті. З графіку видно, що прямий струм досить сильно залежить від напруги. При збільшені напруги струм може перевищити максимальне значення І_max і тоді відбудеться перегрівання n-p- переходу – прилад вийде з ладу. Для германієвих діодів напруга, при яких струм досягає 0,1 І_max, знаходиться в межах 0,2 – 0,4 В, для кремнієвих – 0,5 – 0,8 В.

При напругах, більших за абсолютним значенням U_{зв max}, зворотній струм діоду різко зростає, може стати спів розмірним з прямим струмом і тоді відбувається локальне перегрівання, що призводить до руйнування діоду – електричний пробій.

5.1.5 КРЕМНІЄВИЙ СТАБІЛІТРОН ТА ВАРИКАП

Напівпровідникові діоди, що працюють в режимі пробою і використовуються як джерело опорної напруги, називаються стабілітронами. Для створення стабілітронів використовують лише кремній, оскільки у германія ВАХ у зворотньому режимі має несталий спадний відрізок.

Особливість вольт-амперної характеристики стабілітрону – різке збільшення зворотнього струму при порівняно малих змінах зворотної напруги – використовується при створенні стабілізаторів напруги.

Рис. 5.5 Стабілізатор напруги

Рис. 5.6 Умовне позначення стабілітрону

На рис. 5.5 показано найпростішу схему ввімкнення стабілітрона для стабілізації напруги. На рис. 5.6 – його умовне позначення. При збільшені вхідної наруги зростає струм в колі R1 – VD. Напруга на навантаженні, що дорівнює напрузі стабілізації, практично не змінюється, а надлишок напруги спадає на резисторі R1.

Варикапом називають напівпровідниковий діод з зворотно зміщеним n-p- переходом, що використовується як конденсатор.

Рис. 5.7 Умовне позначення варикапу

Рис. 5.8 Вольт-фарадна характеристика варикапу

Із збільшенням зворотної напруги на варикапі ємність його переходу зменшується. Умовне позначення варикапу зображене на рис. 5.7. Залежність його ємності від наруги називається вольт-фарадною характеристикою варикапу (рис. 5.8).

Питання для самоперевірки знань

1. Групи напівпровідників

2. Будова напівпровідників

3. Ковалентний зв'язок

4. Власна провідність напівпровідників

5. Електрона провідність напівпровідників. Напівпровідники n -типу

6. Діркова провідність напівпровідників. Напівпровідники p -типу

7. Електроні пристрої

8. Види перетворень електричних сигналів

9. Електроні прилади (активні елементи)

10. Пасивні компоненти

11. Біполярні прилади

12. Уніполярні прилади

13. Польові прилади

14. Струмові прилади

15. Напівпровідниковий діод

16. Основна властивість електронно-діркового переходу

17. ВАХ діоду

18. Пряме вмикання діоду

19. Зворотнє вмикання діоду

20. Випрямний контакт

21. Омічний контакт

22. Електричний пробій

23. Кремнієвий стабілітрон

24. Стабілізація напруги

25. Варикап

Теми рефератів

1. Електровакуумні прилади

2. Газорозрядні прилади

3. Основні етапи розвитку електронних приладів

4. Класифікація електронних приладів

Питання для самостійного опрацювання

1. Високочастотні діоди

2. Імпульсні діоди

3. Діоди Шотткі

ТЕМА 5.2 НАПІВПРОВІДНИКОВІ ТРАНЗИСТОРИ

План лекції

5.2.1 Біполярні транзистори

5.2.2 Польові транзистори

5.2.3 Порівняння польових та біполярних транзисторів

5.2.1 БІПОЛЯРНІ ТАНЗИСТОРИ

Подальше дослідження n-p- переходів, удосконалення технології формування їхніх структур привели до створення принципово нових напівпровідникових приладів, електрична провідність яких може без інерційно змінюватись. Такі прилади є активними компонентами. Вони спроможні керувати потоком електричної енергії, яка надходить від зовнішнього джерела живлення в навантаження.

Провідність n-p- переходу у разі зворотнього вмикання можна змінювати в широких межах підвищенням температури опроміненням, а також за допомогою додаткового джерела неосновних носіїв. Останній спосіб використовують для створення біполярних транзисторів.

Біполярним транзистором називається напівпровідниковий прилад з двома n-p- переходами та трьома або більше виводами, що має підсилювальні властивості. Він має тришарову структуру n-p-n (рис. 5.9) чи p-n-p (рис. 5.10).

Рис. 5.9 Будова та умовне позначення n-p-n- транзистора

Рис. 5.10 Будова та умовне позначення p-n-p- транзистора

Середня область між двома n-p- переходами називається базою. Товщина її мала. Сусідні області називають емітером і колектором. Відповідно n-p- перехід емітер-база називається емітерним, а перехід база-колектор – колекторним. Біполярні транзистори виготовляють на основі германія і кремнію.

Розрізняють такі режими роботи біполярного транзистора: режим відсічки струмів (режим закритого транзистора), коли обидва переходи зміщені в зворотньому напрямку (закриті); режим насичення (режим відкритого транзистора), коли обидва переходи зміщені в прямому напрямку (відкриті), струми в транзисторах максимальні і не залежать від його параметрів; активний режим, коли емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, колекторний – в зворотньому; інверсний режим, коли емітерний перехід зміщений в зворотньому напрямку, колекторний – в прямому.

В режимах відсічки та насичення керування в транзисторі відсутнє. Напруга іж електродами (режим відсічки) і струми відкритого транзистора (режим насичення) визначаються параметрами компонентів зовнішніх кіл. В активному режимі емітерний струм n-p- переходу керує струмом колектора. Активний режим називають підсилювальним. Схема ввімкнення транзистора в активному режимі зображена на рис. 5.11.

Рис. 5.11 Схема вмикання транзистора зі спільною базою

Функцією емітерного переходу є інжекція (“впорскування”) неосновних носіїв заряду в область бази. Для цього область емітера робиться з меншим опором, ніж область бази. Частина інжектованих емітерним переходом носіїв заряду рекомбінує з основними носіями бази і не доходить до колекторного переходу. Таким чином струм із кола емітера передається в коло колектора з коефіцієнтом:

. (5.1)

Коефіцієнт називається коефіцієнтом передачі струму емітера в колектор. В сучасних транзисторах і більше.

На струм накладається зворотній (тепловий) струм колекторного переходу, тобто:

. (5.2)

Зовнішня напруга прикладається між емітером і базою та колектором і базою, а потенціал бази залишається незмінним. Такий режим роботи транзистора називається ввімкненням транзистора за схемою зі спільною базою (СБ) (рис. 5.11).

Крім схеми зі спільною базою широко використовують схему ввімкнення транзистора зі спільним емітером (СЕ) (рис. 5.12) та спільним колектором (СК) (рис. 5.13).

Рис. 5.12 Схема вмикання транзистора зі спільним емітером

Рис. 5.14 Схема вмикання транзистора зі спільним колектором

5.2.2 ПОЛЬОВІ ТАНЗИСТОРИ

Польовим транзистором називають напівпровідниковий прилад, що є резистором, опір якого змінюється під дією поперечного електричного поля, створеного клерувальним електродом (затвором), що прилягає до провідної області.

На відміну від біполярних транзисторів, в яких фізичні процеси переносу заряду зумовлені як основними так і неосновними носіями, в польовому транзисторі клерувальний струм зумовлений рухом основних для даного типу напівпровідника носіїв заряду. Саме цим і пояснюється друга назва транзистора – уніполярний.

Струм напівпровідникового бруска лінійно залежить від напруги. Є два способи, за допомогою яких можна здійснювати модуляцію провідності бруска: зробити залежними від клерувальної напруги концентрацію носіїв або геометрію зразка. Залежно від цього використовують два типи польових транзисторів: з керованим переходом (рис. 5.15, 5.16) та з ізольованим затвором (рис. 5.17, 5.18).

Дата добавления: 2014-12-07