Плоскостной электронно-дырочный переход

КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

(Часть 1)

 

Оглавление.

КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ.. 1

Оглавление. 2

Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве. 4

Базовые понятия электронной техники. Источник тока. Источник напряжения. Согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях. 8

Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса. 16

Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода. 22

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные. 26

Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения. 33

Система обозначения отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов, электронных микросхем) 35

Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы. Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации. 39

Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах. 46

Динисторы имеют нормированное напряжение включения анод – катод. 51

Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера. 52

Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы.. 59

Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования. 63

Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения. 66

Интегральные микросхемы. Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы.. 78

Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры.. 81

Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве

 

Электроника — это область науки и техники, занимающаяся разработкой и проектированием приборов, использующих движение заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах (в основном в полупроводниках), и созданием устройств на их основе. Это наука, развивающаяся быстрыми темпами с начала ХХ века и оказывающая огромное влияние на развитие цивилизации.

Начало развития электроники (вакуумные лампы: диод 1903 г., триод 1905 г.) тесно связано с необходимостью развития связи и прежде всего радиосвязи. Можно отметить, что до 1939 г. развитие электронных ламп и схем связано с их использованием в основном для нужд радиовещания, которое было в то время самым важным потребителем электроники. В тот период возникло большинство электронных ламп, известных в настоящее время, и основные электронные схемы, используемые и теперь в разных модификациях.

Промышленная электроника, занимающаяся использованием электронных элементов и схем в промышленности, как область техники гораздо моложе. Первые попытки использования ламповых схем в промышленности, прежде всего в измерительных установках, относятся к тридцатым годам прошлого века. Однако они не дали хороших результатов вследствие недолговечности, большой массы и габаритов электронных ламп, хотя другие характеристики этих устройств были удовлетворительные. Результаты этих первых экспериментов были использованы в широком масштабе только во время второй мировой войны, когда возросшие производственные потребности необходимо было удовлетворять в условиях чувствительной нехватки рабочей силы. Автоматизация производства, внедрение которой начато было в тот период, не могла осуществляться без электронных устройств. Электронные схемы также оказались незаменимыми в некоторых измерительных и контрольных установках.

Развитие промышленной электроники значительно ускорилось в послевоенный период, особенно после начала широкого применения полупроводниковых приборов в пятидесятых годах (1947 г. — появление первого транзистора). С появлением полупроводниковых приборов стали возможными значительная миниатюризация устройств и уменьшение потребляемой ими мощности, увеличение времени безотказной работы и т. п. Только теперь можно было приступить к построению весьма сложных электронных устройств, например вычислительных машин небольших габаритов, низкой стоимости и высокой надежности, соответствующих промышленным требованиям.

В последние годы определились следующие основные области применения электронных схем в промышленности:

· устройства для измерения различных физических величин как электрических, так и неэлектрических;

· устройства для исследования материалов, например металлов, электрическими и магнитными методами без их разрушения;

· устройства для регулирования и автоматического управления различными процессами или промышленными установками, а также для управления различными объектами хозяйства;

· промышленные телевизионные установки, используемые для контроля и наблюдения за различными объектами или процессами;

· вспомогательные устройства, используемые в некоторых технологических процессах, например термопроцессах (нагрев токами высокой частоты) или обусловленных ультразвуковым облучением (коагуляция, обработка, очистка поверхности и т. д.).

При измерении электрических величин электронные схемы требуются в тех случаях, когда электрические эффекты настолько незначительны, что исследовать их классическими методами невозможно. Это происходит, например, при измерении малых токов и напряжений, малых изменений емкости и т. д., если чувствительность обычных вольтметров, амперметров или мостов недостаточна для проведения измерений. В этом случае необходимо усилить измеряемую величину до значения, фиксируемого обычными методами. Подобные проблемы часто возникают при измерении неэлектрических величин электрическими методами, когда возникающие в первичном измерительном преобразователе сигналы незначительны. В этом случае усиление производится при помощи электронных схем.

Большое значение имеют также электронные устройства для исследования свойств материалов разными методами. Многие из этих методов основаны на связи между механическими и электрическими или магнитными свойствами исследуемых материалов. Исследование материала можно свести к измерению его характеристик магнитным или электрическим методом, что очень удобно, поскольку такое измерение легко осуществить, его можно автоматизировать и т. д. При этом исследование не приводит к разрушению или повреждению изделия. Это очень важно, так как исследования, приводящие к разрушению испытуемого образца, например разрыву, могут проводиться только на немногих экземплярах изготовленной партии изделий. Следовательно, в этом случае результаты измерений носят случайный характер и не дают полной уверенности в качестве изделий, которые не подвергались испытанию. Неразрушающие методы испытаний более надежны, поскольку их можно применить ко всей изготовленной партии, т. е. проверить каждое изготовленное изделие.

Автоматическое управление и контроль технологических процессов являются теперь одними из наиболее характерных особенностей быстрого развития техники. В этой новой быстро развивающейся области техники электронные устройства являются очень важным, а часто и обязательным элементом, от свойств которого зависит качественная работа всей регулируемой системы. Последние достижения автоматики, связанные с использованием электронных вычислительных машин, были бы при современном уровне развития техники невозможны без электронных схем. Тесная связь автоматики и электроники обусловливает надлежащий прогресс обеих этих областей техники.

Электроника также тесно связана с некоторыми технологическими процессами, в которых электронные устройства обычно используются в качестве источников токов высокой частоты. Это — процессы высокочастотного нагрева, а также процессы, связанные с излучением ультразвука большой мощности. Электронная схема в таком устройстве служит для создания токов высокой частоты необходимой мощности, и следовательно, она только косвенно связана с данным технологическим процессом, тем не менее она является обязательной.

Телевизионные устройства могут передавать образ любого промышленного объекта на произвольное расстояние, например к диспетчеру или к обслуживающему персоналу. Промышленное телевидение играет важную роль, там, где из-за условий работы невозможны непосредственные наблюдения, например в отравленной атмосфере, на участках с большим уровнем радиации (атомные реакторы) и т. п.

Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и ме­ханики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновре­менно функции рабочих и информационных машин.

Возникновение робототехники обусловлено потребностями развиваю­щегося общества. Удовлетворение все возрастающих потребностей населе­ния возможно только на основе дальнейшего роста производительности труда. Важнейшим резервом этого роста в условиях дефицита трудовых ресурсов является комплексная механизация и автоматизация производст­ва. Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупно­серийном производстве на основе использования неперепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производитель­ность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70 % современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. В этих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.

Дифференциация процесса производства на ряд многократно повторяю­щихся простых операций привела к монотонным, утомительным трудовым действиям, выполняемым людьми на конвейере. Труд, лишенный творче­ского содержания, монотонный, опасный для жизни, должен быть уделом роботов.

Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого тер­мина? Существует большое число определений понятия "робот". Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропо­морфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей сре­дой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулировано следующее определение. Робот — это машина-автомат, предназна­ченная для воспроизведения двигательных и умственных функций челове­ка, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой. Это машина-автомат нового типа. Обыч­ные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автома­ты для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы — универсальные системы многоцелевого назначения; они способ­ны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобу­чаться с одной операции на другую.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленны­ми.

Следует отметить следующие их достоинства.

Повышение безопасности труда — это одно из первоочередных назначе­ний роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышлен­ности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, по­тенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработ­ке хлопка, асбеста и т.п.

При использовании роботов происходит интенсификация рабочего про­цесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели произ­водства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается ка­чество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процес­сы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на челове­ка.

Однако эффективность применения робота проявляется только при пра­вильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.

Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудно­стями.

Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего, обслуживающего технологическое оборудование или совершающего техно­логическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физи­ческого труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.

Основными факторами экономической эффективности роботов, учиты­ваемыми при ее расчете, являются как производственные, так и социаль­ные. Эта особенность отличает роботы от других вариантов новой техники, в связи с чем разработана специальная межотраслевая методика оценки экономической эффективности при их создании и использовании.

Базовые понятия электронной техники. Источник тока. Источник напряжения. Согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях

 

Источник напряжения - источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет неизменное напряжение, не зависящее от тока, потребляемого от этого источника.

r – внутреннее сопротивление генератора

R – сопротивление нагрузки

Е – ЭДС генератора

U = Е - I·r

Это достигается тогда, когда внутренне сопротивление источника близко к 0 или несоизмеримо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки (идеальные условия r = 0). R>>r

Обычно для источников питания электронных устройств для задания неизменных режимов работы принимают R = 10r.

R_n≥10r₀

Пример: - гальванический элемент

- аккумулятор

- стабилизаторы напряжения

Усиление – это процесс преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала по закону входного сигнала.

Стабилизаторы напряжения используются в усилительных устройствах высокого качества для поддержания неизменных электрических режимов усилительных каскадов.

Источник тока - источник электрической энергии, который отдает во внешнюю цепь ток неизменного значения, независимо от сопротивления нагрузки. Это возможно, когда внешнее сопротивление нагрузки пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.

Пример: R_ст=

Используются:

1) В качестве динамической (или коллекторной) нагрузки транзисторного каскада с общим эммитером (основной усилительный каскад по напряжению) с целью увеличения коэффициента усиления по напряжению К_u;

2) Для задания неизменным рабочего тока через стабилитрон с целью увеличения его коэффициента стабилизации;

3) В эммитерной цепи дифференциального каскада с целью его симметрирования;

4) Для задания неизменными режимов электрических каскадов в операционных усилителях;

5) В электрохимии.

Согласование источника с нагрузкой: максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, если ее сопротивление равняется сопротивлению источника.

R_н = r₀ =>Pн =Pmax

Применяются в передатчиках для получения максимальной мощности и в высокочастотных цепях для получения минимального отражения волны от нагрузки, в СВЧ устройствах с целью увеличения коэффициента стоячей волны, в ВЧ устройствах (телевизор (75Ом), некоторых осциллографах (50 Ом)).

Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) представляют на схемах в виде резистивного сопротивления R, ёмкости C, индуктивности L.

Резистивным сопротивлением называется идеализированный элемент, обладающий только свойством необратимого рассеяния энергии. Математическая модель определяется законом Ома:

, где R – сопротивление [R] – Ом; – проводимость [G] – Сименс.

Мощность участка цепи с сопротивлением:

Энергия, рассеиваемая резистором к моменту времени t:

Резисторы бывают широкого применения и точные. У точных – обычно меньшие уровень собственных шумов и температурный коэффициент напряжения. Резистор характеризуется также максимальной рассеиваемой мощностью, которая не должна превышаться.

Соединение резисторов:

При параллельном соединении общее сопротивление определяется сопротивлением наименьшего ; при последовательном – наибольшим .

Катушкой индуктивности называется идеализированный элемент, обладающий только свойством накопления энергии в его магнитном поле. Математическая модель:

, где

– потокосцепление.

[L] – Генри (Гн).

Потокосцепление характеризует суммарный магнитный поток, пронизывающий участок цепи или индуктивную катушку.

индуктивное сопротивление цепи.

Связь между u и i определяется законом электромагнитной индукции:

Напряжение опережает ток на 90˚ по фазе.

Мощность:

Энергия магнитного поля индуктивности к моменту t определяется как интеграл:

Если магнитные потоки само- и взаимоиндукции двух катушек направлены в одну и ту же сторону, то такое включение называется согласным. При согласном включении конец одной катушки совпадает с началом другой, если они намотаны в одну сторону.

, где М – коэффициент взаимоиндукции (при согласном включении «+», при встречном – «-»).

, k – коэффициент связи между катушками .

Если .

При параллельном соединении катушек индуктивности .

Если .

Ёмкость характеризует энергию, которая накапливается в электрическом поле конденсатора.

– математическая модель ёмкости; [ С ] – Фарад (Ф)

Ток опережает напряжение на 90˚ по фазе

При последовательном включении конденсаторов , при параллельном

Конденсатор электролитический обладает самой большой емкостью. Используется в фильтрах питания и в переходных конденсаторах, где изменение емкости на 20 – 30% не играет определяющей роли. Чем больше емкость, тем меньше пульсация (соединение конденсаторов).

Трансформатор – устройство, основанное на явлении взаимоиндукции и передающее электрическую энергию из одной цепи в другую без непосредственного контакта между ними.

В простейшем случае состоит из двух обмоток, связанных общим магнитным потоком Ф, который замыкается по воздуху или через сердечник.

- магнитный поток;

- ЭДС, наводимая этим магнитным потоком;

– эдс, наводимая в первичной и вторичной обмотках; W1 и W2 – число витков этих обмоток.

Коэффициент трансформации:

КПД трансформатора:

близок к 1 (90 – 95%)

Коэффициент нагрузки характеризует надежность работы. Показывает, какова в процентном отношении реальная нагрузка на данный элемент по сравнению с допустимой.

В зависимости от мощности и типа к резисторам могут прикладываться определенные значения напряжения. Это отношение значения реального параметра при сохранении высокой надежности, которое можно прикладывать к данному прибору, к максимальному значению, указанному в справочнике.

Для обычных резисторов ~ 0,65

Для конденсаторов ~ 0,7

Для проволочных резисторов ~ 0,75

Для кремниевых диодов ~ 0,5

Для германиевых диодов ~ 0,3

Для кремниевых транзисторов ~ 0,8

Для германиевых транзисторов ~ 0,4

 

Система обозначений некоторых изделий электрической технике.

Полупроводниковые приборы:

Первая буква (цифра) – исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен прибор.

Г или 1 – германий (Ge)

К или 2 – кремний (Si)

А или 3 – арсенид галлия (GaAs), или другие соединения галлия

И или 4 – соединения индия

Второй элемент (одна или две буквы) определяет подкласс и признак прибора.

Д – диоды выпрямительные, импульсные, магнитодиоды, термодиоды (1 ÷ 9) ГД511А

Ц – выпрямительные столбы и блоки (1÷4) КЦ201А

В – варикапы (переменные конденсаторы) (1÷2) КВ109А

И – туннельные и обращенные диоды (1÷4) ГИ403А

А – сверхвысокочастотные диоды (1÷8) 1А106Б

С – стабилитроны и стабисторы (1÷9) КС620А

Г – генераторы шума (1÷2) КГ401Б

Л – излучающие полупроводниковые приборы (1÷7) КГ307В

О – оптоэлектронные приборы:

Д – диодные АОД101А

Т – транзисторные АОТ127Б

Р – резисторные

У - тиристорные

У – управляемы тиристоры (триодные, тетродные) (1÷9)КУ202Н

Н – тиристоры неуправляемые (динисторы) КН102Г

Ф – фотоприборы

П – транзистор полевой (1÷9) RG303:

Третий элемент – цифра (первая) – один из основных параметров, характеристик прибора.

Следующие две или три цифры – порядковый номер разработки.

Буква в конце означает группу отбраковки прибора. Далее может быть цифра, обозначающая вариантность корпусного исполнения (М – модернизированный корпус).

 

Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях.

Резисторы(R, R_H, VR) нумеруются на электрических схемах сверху вниз, слева направо.

У резисторов обычной точности – 4 полоски

У резисторов повышенной точности - 5

1-я полоса либо шире других, либо смещена к одному краю

Первые два либо три кольца обозначают величину сопротивления в Омах, следующее
кольцо – множитель, далее – допуск.

Если имеется шестое кольцо, то оно обозначает температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

По номинальному напряжению и току:

5R1U – 5,1Ом ± 5%

51КС – 51кОм ± 10%

М10Л - 100 кОм (0,1МОм) ± 2%

Г - ГигаОм-10⁹

Т - ТераОм- 10¹²

На бескорпусных резисторах:

222 - 22·10²Ом - 2,2 кОм

2812 - 281·10²Ом - 28,1 кОм

Обозначение полосками:

цвет	номинальное сопротивление	точность (%)
			множитель
серебристый	-	-	-	10-2	±10%
золотистый	-	-	-	10-1	±5%
черный	-		-		-
коричневый					±1%
красный				102	±2%
оранжевый				103	-
желтый				104	-
зеленый				105	±0,5%
голубой				106	±0,25%
фиолетовый				107	±0,1%
серый				108	±0,05%
белый				109	-

 

Ряд номинальных сопротивлений Е24±5% (10 Ом ≤R≤100 Ом):

10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91.

Число из этого ряда домножается на десять в любой степени.

Например, если при расчете получилось 115 Ом, то мы выбираем либо 110 Ом, либо 120 Ом.

Существуют еще ряды от Е6±20% до Е192. Для рядов Е48 – Е192 существует свой номинал (более точный – 3 значащие цифры).

Мощность резисторов на схемах кодируют с помощью штрихов.

Буквенное обозначение точности резисторов и конденсаторов:

В(Ж) ±0,1%

С(У) ± 0,25%

D(Д) ± 0,5%

F(P) ±1%

G(JI) ± 2%

I(И) ±5%

Переменные:

К(С) ±10%

М(В) ± 20%

N(Ф) ±30%

Только для конденсаторов:

Q(-) -10 +30%

Т(Э) -10 +50%

Y(Ю) -10 +100%

S(Б) -20 +50%

Z(A) -30 +80%

 

33,0 = 33µF

33 = 33pF

33n = 33nF

33m = 33mF

223 = 22∙10³pF

Конденсаторы имеют температурный коэффициент.

П – положительный, М - отрицательный.

П100 - +ТКЕ 100·10^-6 /°С

M1500 - -1500-10^-6 / °С

МП0 - близок к 0 (для конденсаторов высокой стабильности)

Для нестабильных сегнетокерамических:

Н10 в диапазоне температур -60до +80°С, max изменение ± 10%

Н20

Н50

Н70

Н90

Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса

 

Виды электрических сигналов:

• синусоидальный
• прямоугольный
• треугольный
• пилообразный

 

 

 

 

t_и – длительность импульса (меряется по U/2)

t_ф – фронт импульса (нарастание) от 0,1 до 0,9

t_зад.фр – задний фронт импульса (спад) от 0,9 до 0,1

t_пауз – длительность паузы

Т = t_и+ t_пауз – период следования импульса

f = 1/Т – частота импульса

- скважность; .

Если для прямоугольных колебаний Q = 2, то есть t_и = t_пауз, то такие колебания называются меандр.

Колебание пикообразной формы - это колебание, в котором изменение мгоновенного значения протекает во времени по линейному закону. В общем случае нарастания T1 и убывания Т2 мгновенного колебания не равны.

Амплитудное значение - максимальное значение электрического сигнала(U_max).

Действующее значение переменного напряжения (тока) 220В производит такое же

тепловое действие, как и постоянное напряжение данной величины, то есть характеризует

тепловые потери.

 

 

Среднее значение – среднее арифметическое абсолютных значений колебаний в течение одного полупериода. Определяет площадь или произведение в каждой точке, а следовательно, количество переданного электричества и энергии.

Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры

 

Интегрирующие цепи:

 

 

τ = R·C

τ = L/С

 

τ – постоянная времени, численно равная времени, за которое свободная составляющая уменьшится в е раз.

Если падать на вход прямоугольный импульс на вход, то получим:

 

τ τ τ

max искажения при t = τ конденсатор min искажения

заряжается на ≈30%

 

Интегрирующие цепи используются в качестве звена фильтра низких частот, а также для синусов сглаживания высокочастотных шумов и импульсных помех, в генераторах пилообразного напряжения.

 

Дифференцирующие цепи:

 

τ = R·C

τ = L/R

 

 

τ τ τ

Используются для выделения фронтов сигнала, в том числе импульсных сигналов, а также в качестве звена фильтра высоких частот.

Резонанс – совпадение амплитуд. Следствие резонанса – увеличение амплитуды. При увеличении частоты генератора увеличиваются, а уменьшаются. При резонансе .

Параллельный резонанс возникает в цепи, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных параллельно. Полное сопротивление этой цепи зависит от частоты и наибольшее значение достигается при , называемой резонансной частотой. Параллельный резонанс – резонанс токов.

, где - комплексное сопротивление.

Ток в конденсаторе опережает напряжение, так как для возникновения между обкладками напряжения необходимы заряды, которые приносит ток.

Ток в катушке индуктивности отстает от напряжения, так как на любую попытку изменения тока катушка вначале реагирует возникновением встречной ЭДС самоиндукции.

При резонансе токов абсолютные значения токов катушки индуктивности и конденсаторы равны, а направления противоположны, т.е. они компенсируют друг друга, и результирующий ток стремится к 0.

 

 

Последовательный резонанс возникает в цепи с последовательным соединением конденсатора и катушки индуктивности.

Последовательный резонанс – резонанс напряжений – и напряжение на контуре стремится к нулю.

Колебательные контуры используются в генераторах. Параллельные колебательные контуры применяются в качестве избирательных радиочастотных цепей с целью выделения требуемой полосы частот.

Последовательные - для подавления и усиления сигнала на определённых частотах (частоте сети и ее гармониках при точных измерениях, промежуточной частоте в радиоприемниках и телевизорах).

 

Амплитудно-частотная характеристика - это график или аналитическое выражение, представляющее для данной цепи или устройства зависимость тока, напряжения или коэффициента усиления от частоты подводимого к нему синусоидального колебания. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда синусоидального сигнала в зависимости от частоты.

- коэффициент передачи

- неравномерность АЧХ.

Добротность

Ширина полосы пропускания цепи – это полоса частот, заключенных между граничными частотами и численно равная разности этих частот. Значения граничных частот составляют 0,707 f₀ (резонансной частоты).

- полоса пропускания цепи по уровню 3дБ.

Относительные децибелы (δ – отношение двух величин в децибел):

относительные децибелы

Абсолютные децибелы - это отношение данной величины к некоторой фиксированной, например дБР – отношение данной мощности к мощности 1мВт на сопротивлении R=600 Ом, при напряжение UR=0,775 В; дБВ – отношение данного напряжения к UR. За 0 дБ звукового давления принимают нижний порог слышимости.

20дБ – 10 раз

40дБ – 100 раз

14дБ – 5 раз

12дБ – 4 раза

6дБ – 2 раза

3дБ - раз

1,5дБ - раз

 

Фазо-частотная характеристика - з ависимость сдвига фаз выходного сигнала относительно входного от частоты.

Любой периодический сигнал можно однозначно разложить в ряд Фурье на гармонические составляющие с определенными амплитудами и фазовыми сдвигами. Для того, чтобы форма выходного сигнала соответствовала форме входного, необходимо не только одинаковые усиления всех гармонических составляющих, но и одинаковая их задержка по времени.

Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода

 

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов. По электропроводности все вещества условно принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводниковые материалы делятся на собственные (чистые) и примесные. При температуре 0˚К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.

Качество полупроводниковых приборов на 90 % определяется степенью частоты (собственного сопротивления).

Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок , где n – число электронов, p - число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов.

Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.

Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового и диффузионного токов .

Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие .

Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие

Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между и нарушится и через переход будет протекать прямой ток.

Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n -переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.

При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.

При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.

Плоскостной электронно-дырочный переход.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n -перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

Если к p-n -переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n -перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.

- - - + - + + - n - + - p - - - + - + +

p-n переход дырки

 

 

ē ионы

Ионы в твердом теле не переносят электрических зарядов.

При подаче к полупроводнику положительного смещения запирающий слой исчезает, при дальнейшем увеличении прямого напряжения происходит инжекция носителей в ту область, где они не являются основными. Если теперь приложить запирающее напряжение, через p – n переход будет некоторое время протекать ток, использованный необходимостью возврата носителей в ту область, где они являются основными.

Явление рассасывания носителей ограничивает быстродействие полупроводниковых приборов.

При увеличении запирающего напряжения увеличивается ширина запирающего слоя.

Запертый p – n переход представляет собой переменный конденсатор, величина которого обратно пропорциональна величине запирающего напряжения (используется в варикапах) – барьерная емкость.

 

 

ВАХ p-n-перехода

 

 

p-n переход - область высокого сопротивления, потому что не имеет подвижных зарядов. Т.о. полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью.

Напряжение смещенного p-n-перехода кремниевого диода = 0,6 В.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов - лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.

Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n -переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n -перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.

Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n -перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.

Р-n -переход обладает ёмкостью. Причем суммарная емкость состоит из барьерной и диффузионной:

С = С_бар+С_диф

Основное значение имеет барьерная ёмкость, которая возникает при приложении к р-n переходу обратного запирающего напряжения. Зависит от величины обратного напряжения и площади р-n -перехода и может достигать . Обкладки – р и n области, диэлектрик – p-n -переход. Использование барьерной емкости позволяет создавать конденсаторы с переменной емкостью, управляемой обратным напряжением. Такие приборы называются варикапами. Соотношение минимальной и максимальной емкостей может составлять 1:5.

C

 

 

Коэффициент перекрытия по ёмкости

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением заряда неосновных носителей при прямом смещении и рассасыванию его при обратном смещении. При прямом смещении ток в р-n - переходе в начальный момент представляет собой в основном ток заряда ёмкости С_диф. При обратном включении - обратный ток в начальный момент времени - ток перезаряда С_диф. С_диф оказывает существенное негативное влияние на быстродействие, является причиной появления сквозных токов в выпрямителях. Значение С_диф существенно больше, чем С_бар, но использовать её не удаётся, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные

 

Диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом и 2-мя выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.

В основе классификации диодов лежат различные признаки:

· Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);

· Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);

· Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);

· Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);

· Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.);

В курсе изучения электроники основное внимание будем уделять изучению диодов с точки зрения:

· Применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.;

· Использованию нелинейных свойств p-n -перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

 

Выпрямительный

 

Туннельный

 

 

Обращенный

 

Диоды являются полупроводниковыми приборами, которые пропускают ток в одном направлении. При прикладывании к диоду прямого напряжения («+» к аноду, а «-» к катоду), резко возрастает значение прямого тока, который во много раз больше обратного . Диоды не имеют диффузионной емкости, что обуславливает их высокое быстродействие; а также присутствуют высокие обратные токи, а следовательно низкое максимальное обратное напряжение и малое U_{пр max}.

К основным статистическим параметрам диода относят прямое падение напряжения при заданном прямом токе , и постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении .

Дифференциальное сопротивление диода характеризует динамические параметры и влияет на крутизну вольтамперной характеристики диода, т.е. само дифференциальное сопротивление зависит от приложенного напряжения и протекающего тока

 

 

 

1. I_{пр max} ↑ ≤30 А

2. U_{пр max} ↓ ≤1.2 В

3. U_{обр max} ≤1600

4. I_{обр max} <100мА

Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока и температуры и применяется в диапазоне для германиевых диодов, и для кремниевых .

Обратный ток , протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении приближается к некоторому постоянному значению (с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).

Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет ; кремниевых диодов .

В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим. Его расчет производится по известным значениям и ВАХ диода. Расчет производится по формуле .

В формуле две неизвестных . Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:

, т. А на рисунке.

, что соответствует т. Б.

Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.

Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: - максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; температурные параметры.

Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n -перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты () в постоянное. Они подразделяются на диоды

• малой ,
• средней
• большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

• Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;
• Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;
• Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
• Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
• Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности