Электроника

1. Полупроводниковые приборы

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании их свойств. К чистым полупроводникам относятся элементы IV группы Периодической системы элементов Д.И.Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – германий Ge и кремний Si. Чистые полупроводники обладают высоким удельным сопротивлением (от 0,65 Ом×м до 10⁸ Ом×м). Для снижения высокого удельного сопротивления чистых полупроводников в них вводят примеси, такой процесс называется легированием. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева.

Элементы III группы имеют три валентных электрона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном. Такие полупроводники обладают дырочной электропроводностью, основными носителями заряда в них являются дырки. Под дыркой понимается место, покинутое электроном. Такие полупроводники также называют полупроводниками p -типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался недостаток электронов, называют акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных электронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним. Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, основными носителями заряда в них являются электроны. Это полупроводники n -типа. Примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался избыток электронов, называют донорной.

Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей. При концентрации примесей 10²⁰-10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 5×10^-6 Ом×м для германия и 5×10^-5 Ом×м для кремния.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный или p - n -переход, которым называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок, рис.55, а. Свободные электроны из зоны полупроводника n -типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p -типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким удельным сопротивлением – так называемый запирающий слой. Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов Δj_к на границе полупроводников (рис.55, б), которая препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей. При движении через p - n -переход неосновных носителей (дрейфовый ток I _др) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер. Появляется диффузионный ток I _диф, который направлен навстречу дрейфовому току I _др, т.е. возникает динамическое равновесие, при котором I _др = I _диф.

Если к p - n -переходу приложить внешнее напряжение U _обр, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е _вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е _зап, то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p - n -перехода велико, ток через него мал и обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным I _обр, а p - n -переход – закрытым. При противоположной полярности источника напряжения внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление p - n -перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым I _пр, а p - n -переход – открытым.

На рис.56 показана полная вольт-амперная характеристика открытого и закрытого p - n -перехода. Пробой p - n -перехода на отрицательном участке связан с тем, что при движении через p - n -переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника.

В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, приводящее к резкому увеличению обратного тока через p - n -переход при почти неизменном обратном напряжении. Такой вид электрического пробоя называют лавинным. для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p - n -перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p - n -переходе. Если температура p - n -перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p - n -перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Закрытый p - n -переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Свойства p - n -перехода широко используются в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный p - n переход.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода подобна характеристике, показанной на рис.56. Основным свойством такого диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает его вентильные свойства, т.е. способность пропускать ток преимущественно в одном (прямом) направлении. Электрические параметры выпрямительного диода: максимально допустимый прямой ток, максимально допустимое обратное напряжение, межэлектродная емкость, сопротивление постоянному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока, служит для стабилизации напряжения.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис.57. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U _ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I _ст.

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U _ст (от 1 до 1000 В); динамическое сопротивление на участке стабилизации R _д = dU _ст /dI _ст (от 0,5 до 200 Ом); минимальный ток стабилизации I _стmin(от 1 до 10 мА); максимальный ток стабилизации I _стmax(от 50 до 2000 мА); температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации (от –0,05 до +0,2 %/°С).

К полупроводниковым диодам относятся: фотодиод, в котором в результате освещения p - n -перехода повышается обратный ток; светодиод, в котором в режиме прямого тока в зоне p - n -перехода возникает видимое или инфракрасное излучение; варикап, в котором используется зависимость емкости p - n -перехода от обратного напряжения, предназначен для применения с электрически управляемой емкостью.

Светодиоды находят применение для цифровой индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах, фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных районах земного шара.

Условные графические обозначения полупроводниковых диодов представлены на рис.58.

Биполярные транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. Кроме усиления, транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков – отрицательных и положительных (электронов и дырок).

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа p-n-p, между которыми образуются два p-n перехода в соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью. Биполярные транзисторы подразделяют на два типа (рис.59, а): p-n-p и n-p-n. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер Э, коллектор К и база Б. Эмиттер и коллектор соединяют с крайними областями (слоями), имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают таким образом, чтобы на переход эмиттер – база было подано напряжение в прямом направлении, а на переход база – коллектор в обратном направлении.

Рассмотрим более подробно работу транзистора типа p-n-p. При подключении эмиттера к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток I _э (рис.59, б). Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Однако поскольку напряжение питания коллектора во много раз (в 20) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, вследствие чего электрическое сопротивление цепи базы получается высоким, то ток, ответвляющийся в цепь базы I _б, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток I _к.

Таким образом:

I _э = I _б + I _к, причем I _э = a I _к,

где a @ 0,95-0,995 – коэффициент передачи по току.

Ток коллектора I _к превосходит ток базы I _б от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз бóльшая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип действия транзистора типа n-p-n точно такой же, как у рассмотренного выше транзистора p-n-р.

Вольт-амперные характеристики транзистора определяются схемой его включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или с общим коллектором (ОК).

Основные вольт-амперные характеристики транзистора:

· входная – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении;

· семейство выходных – зависимость выходного тока от выходного напряжения при разных (фиксированных) значениях входного тока.

На рис.60 представлены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Полевые транзисторы

Полевым называют транзистор, управляемый электрическим полем, или транзистор с управляемым каналом для тока.

Ток в полевом транзисторе создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), вследствие чего эти транзисторы называют униполярными.

Каналом считают центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который основные носители уходят из канала, – стоком С. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором З.

В зависимости от электропроводности исходного материала различают транзисторы с p и n -каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с затвором в виде p - n -перехода. Он представляет собой кремниевую пластину, n- типа, на верхней и нижней гранях которой создаются области с проводимостью противоположного типа (рис.61, а). Эти области образуют единый электрод-затвор. Область с n- прово­димостью, расположенная между p- областями, образует токовый канал. На торцевые поверхности пластины наносят контакты, образующие два других электрода И и С, к которым подключается источник питания U _с и при необходимости сопротивление нагрузки. Между каналом и затвором создаются два p-n- перехода.

Ток протекает от истока к стоку по каналу, сечение которого зависит от затвора. При увеличении отрицательного потенциала на затворе p-n- переходы запираются и расширяются практически за счет канала, сечение канала, а, следовательно, и его проводимость, уменьшаются, ток через канал падает (рис.61, б). При некотором U _з = U _зо, называемом напряжением отсечки, области p-n- переходов смыкаются по всей длине канала, сток и исток оказываются изолированными друг от друга, ток I _с равен нулю.

Если при U _з = const увеличивать U _с, то ток через канал I _с возрастет (рис.61, в). При этом увеличивается падение напряжения на канале, которое способствует увеличению обратного напряжения на p-n- переходах, вызывая тем самым сужение канала. При некотором U _с = U _н, называемом напряжением насыщения, канал настолько сужается, что с ростом U _с ток I _с не увеличивается.

Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неделимое целое.

Основные параметры интегральных микросхем:

· плотность упаковки (количество элементов в единице объема);

· степень интеграции (количество элементов в микросхеме).

По степени интеграции интегральные микросхемы бывают:

· I степень – до 10 элементов;

· II степень – от 10 до 100 элементов;

· III степень – от 100 до 1000 элементов и т.д.

По конструктивно-технологическому признаку интегральные микросхемы делятся на:

· гибридные – пассивные элементы выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки; активные элементы представляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки – до 150 на 1 см³, степень интеграции – I и II);

· полупроводниковые – все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки – до 10⁵ на 1 см³, степень интеграции –VI и выше).

По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на аналоговые и логические. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Логические микросхемы применяются в ЭВМ, для их анализа используется алгебра логики.

2. Электронные выпрямители

Электронные выпрямители служат для преобразования переменного тока в постоянный и относятся к источникам вторичного электропитания.

Рассмотрим принцип действия выпрямителя на примере простейшей схемы так называемого однополупериодного выпрямления (рис.62, а), где U ₁ и U ₂ – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора; R _н – сопротивление нагрузки.

На временных диаграммах токов и напряжений рассматриваемого выпрямителя (рис.62, б): t – время; I ₀ и U ₀ – средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного тока и напряжения. В течение первого полупериода напряжения U ₂ положительный потенциал приложен к аноду вентиля, он открыт и через нагрузочное сопротивление R _н пойдет ток i _н = i _в, при этом все напряжение окажется приложенным к R _н(u _н = u ₂). Во второй полупериод полярность напряжения U ₂ на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную и диод окажется включенным в обратном направлении, ток прекратится и все напряжение U ₂ окажется приложенным к закрытому диоду.

Для характеристики степени пульсации выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации

,

где U_{m гарм} – амплитуда наибольшей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока; U ₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения; для однополупериодного выпрямителя К _пульс = 1,57.

I ₀

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного тока и напряжения. Поэтому значительно большее распространение получили двухполупериодные выпрямители, в которых выпрямленное напряжение создается в оба полупериода напряжения сети.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Из-за более простой конструкции трансформатора наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис.63, а). В один из полупериодов напряжения сети U ₁, когда верхний зажим вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к нижнему зажиму, вентили 1 и 3 открыты, а вентили 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через вентиль 1 (ток I _в1), нагрузочный резистор R _н, вентиль 3 (ток I _в3) к нижнему зажиму обмотки трансформатора. В другой полупериод, когда верхний зажим имеет отрицательный потенциал по отношению к нижнему, вентили 1 и 3 закрыты, а вентили 2 и 4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через вентиль 2 (ток I _в2), нагрузочный резистор R _н, вентиль 4 (ток I _в4) к верхнему зажиму обмотки трансформатора. При этом в течение всего периода ток I _н через резистор R _н и напряжение на нем имеют одно и то же направление.

По сравнению с однополупериодным, мостовой выпрямитель более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения у него в два раза больше, а пульсации значительно меньше (К _пульс = 0,67). Для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами.

3. Сглаживающие фильтры

Коэффициент пульсаций напряжения К _пульс, питающего электронную аппаратуру, должен составлять доли процента. Различают емкостные, индуктивные, комбинированные (Г-образные, П-образ­ные) фильтры.

Емкостной фильтр выполняется в виде конденсатора с емкостью С _ф, включенного параллельно нагрузочному резистору R _н. Конденсатор заряжается через открытый диод до амплитудного значения напряжения u ₂ в моменты времени, когда напряжение u ₂ на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на конденсаторе. Когда напряжение u_с > u ₂, диод закрыт, конденсатор разряжается через нагрузочное сопротивление R _н с постоянной времени t_разр = R _н С _ф.

Как показывает временнáя диаграмма на рис.64, б, при разряде С _ф напряжение u _н не уменьшается до нуля во вторую половину периода, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямителем без фильтра. Аналогично работает емкостный фильтр в двухполупериодном выпрямителе, с той лишь разницей, что коэффициент пульсаций получается меньшим.

Емкость конденсатора С _ф выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение t_разр = R _н С _ф > 5 Т. Здесь Т = 1 / f _осн – период основной, наибольшей гармоники пульсирующего напряжения.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром может быть снижен до 10^-2. Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором, т.е. при малых токах нагрузки. При этом мощность Р _н не должна быть больше нескольких десятков ватт.

Действие индуктивного фильтра L _ф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности постоянному току мало, а сопротивление переменному току X_L = w L может быть сделано большим. Поэтому при включении L _ф последовательно с активным сопротивлением нагрузки R _н падение напряжения на R _н от переменной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

Для более значительного уменьшения пульсаций применяют комбинированные Г-образные или П-образные фильтры.

4. Электронные усилители

Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и мощности электрических сигналов. Наиболее важным является усиление мощности, так как усиление напряжения (без усиления мощности) можно получить просто с помощью трансформатора. Мощность сигналов в электронных усилителях усиливается за счет энергии источников питания.

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером предназначен для усиления гармонических сигналов (сигналов синусоидальной формы) в диапазоне низких частот и включается по схеме (рис.65, а), где VT – транзистор p-n-p, усилительный элемент; Е _к –источник питания схемы; R ₁, R ₂ – резисторы делителя напряжения, обеспечивающего подачу напряжения питания базы для установки нужного режима работы усилительного элемента (транзистора); R _к – резистор коллекторной нагрузки; R _н – сопротивление внешней нагрузки; R _э, С _э – элементы схемы, обеспечивающие температурную стабилизацию режима работы транзистора; С ₁ и С ₂ – конденсаторы, служащие для разделения постоянных и переменных токов в схеме. Эмиттер является общим для входной и выходной цепей.

Основные характеристики усилителя: нагрузочная характеристика К_u = f (R _н) (рис.65, б) – зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, амплитудо-частотная характеристика K_u = j(f) (рис.65, в) – зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала.

Уменьшение коэффициента усиления на нижних частотах обусловлено увеличением реактивного сопротивления разделительных конденсаторов Х _с = 1 / w С, включенных последовательно в цепях прохождения сигналов. В результате бóльшая часть напряжения падает на этих конденсаторах и выходное напряжение уменьшается. Уменьшение коэффициента усиления на верхних частотах объясняется уменьшением реактивного сопротивления паразитной емкости, шунтирующей (включенной параллельно) нагрузочное сопротивление на выходе усилителя. Эта паразитная емкость обусловлена емкостью монтажных проводов, измерительных приборов или усилительных элементов последующих каскадов усилителя.

По частотной характеристике можно определить ширину полосы частот пропускания усилителя, т.е. полосу частот, в пределах которой коэффициент усиления уменьшается не более чем в раз.

Амплитудная характеристика усилителя (рис.65, г) представляет собой зависимость выходного напряжения от входного U _вых = f (U _вх).

По амплитудной характеристике можно судить о максимально допустимых напряжениях, которые следует подавать на вход усилителя.

5. Логические элементы

Логические элементы (ЛЭ) – это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции. В настоящее время промышленность выпускает такие элементы в интегральном исполнении. Анализ работы логических ИМС базируется на использовании аппарата математической логики. Все переменные в алгебре логики принимают только два значения – единица или ноль, и любые математические действия над этими переменными обеспечивают результат также либо в виде «1», либо «0». ЛЭ дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Используются два возможных способа представления логической переменной: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе «1» и «0» соответствуют два различных уровня напряжения, при импульсном – значениям «1» и «0» соответствует появление и непоявление импульса в определенные промежутки времени.

Решение любой логической задачи может быть выполнено с помощью трех основных логических операций: отрицания, сложения и умножения.

Логическая операция отрицания «НЕ», условное обозначение приведено на рис.66, а, означает, что при этой операции логическая функция Y противоположна аргументу X. Таблица истинности (таблица состояния входных и выходных переменных) имеет вид:

X	Y

При операции «ИЛИ» (логическое сложение или дизъюнкция) таблица истинности при двух аргументах реализуется логической ИМС, имеющей два и более входов и один выход, принимающий значение «1» всякий раз, когда хотя бы один из его входов равен логической «1»:

X 1	X 2	Y

Операция «И» (логическое умножение или конъюнкция) реализуется логической ИМС с двумя и более входами и одним выходом, на котором появляется сигнал «1» только тогда, когда на все входы одновременно поданы «1». Таблица истинности (при двух аргументах) следующая:

X 1	X 2	Y

Помимо рассмотренных ЛЭ широко используются универсальные ЛЭ, осуществляющие две и более логических операции одновременно. Чаще всего применяются логические элементы «ИЛИ-НЕ» (элементы Пирса) и «И-НЕ» (элемент Шеффера).

Оглавление

Введение.................................................................................................................... 3

Электротехника........................................................................................................ 4

Электрические цепи.......................................................................................... 4

1. Основные понятия электрических цепей................................................ 4

2. Топологические понятия электрических цепей...................................... 5

3. Законы электрических цепей................................................................... 5

4. Режимы работы электрических цепей..................................................... 5

5. Мощность цепи переменного тока.......................................................... 14

6. Символический метод расчета цепей переменного тока....................... 16

7. Резонансные явления в электрических цепях........................................ 21

8. Трехфазные цепи...................................................................................... 24

9. Измерение мощности в трехфазной сети................................................ 29

10. Нелинейные цепи.................................................................................... 30

11. Магнитные цепи...................................................................................... 31

Электрические машины................................................................................... 32

1. Трансформатор......................................................................................... 32

2. Асинхронный двигатель.......................................................................... 37

3. Синхронная машина................................................................................. 42

4. Машина постоянного тока....................................................................... 47

5. Методы обеспечения электробезопасности............................................ 50

6. Виды защиты электрооборудования....................................................... 51

Электроника.............................................................................................................. 52

1. Полупроводниковые приборы................................................................ 52

2. Электронные выпрямители..................................................................... 61

3. Сглаживающие фильтры......................................................................... 64

4. Электронные усилители........................................................................... 65

5. Логические элементы............................................................................... 67

Дата добавления: 2014-01-07