|
|
Схема однополупериодного выпрямителяСтр 1 из 7Следующая ⇒ Дисциплина ОП.06 Электронная техника
Курс лекций для студентов 1 курса для специальности 11.02.02 Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники (по отраслям)
Разработала: Дмитриева Л.И., преподаватель
г. Нижний Новгород
2015 г.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – это прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств p-n перехода. Обозначение: VD
Выпрямительный диод Назначение выпрямительного диода – преобразование переменного напряжения в постоянное. Работа выпрямительного диода основана на его односторонней проводимости. Схема однополупериодного выпрямителя
IД
0 t
При положительной полуволне напряжения Таким образом, через диод и нагрузку протекает пульсирующий ток (то он есть, то его нет). Для сглаживания пульсаций параллельно сопротивлению нагрузки Механизм сглаживания пульсаций: При положительной полуволне конденсатор быстро заряжается через малое сопротивление открытого диода. При отрицательной полуволне конденсатор медленно разряжается через относительно большое сопротивление нагрузки. В результате выходное напряжение приближается к постоянному напряжению. Чем больше емкость блокировочного конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше пульсации. Емкость блокировочного конденсатора выбирается из условия: реактивное сопротивление конденсатора должно быть много меньше сопротивления нагрузки, т.е. В электронной технике понятие «много» означает на порядок, поэтому данное неравенство можно переписать: Учитывая, что Отсюда выражаем
Таким образом, зная частоту входного сигнала и сопротивление нагрузки, легко определить емкость блокировочного конденсатора.
Конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный.
Докажем это. Для постоянного тока Стабилитрон Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого обратная ветвь ВАХ используется для стабилизации напряжения. Рабочим участком стабилитрона является область электрического пробоя, а рабочим напряжением – напряжение пробоя. В качестве стабилитронов используют кремниевые диоды, обладающие бо́льшей устойчивостью к тепловому пробою. Обозначение: Пример: КС182А
IПР
IОБР
Одним из характерных параметров стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации:
Иногда в качестве рабочего участка стабилитрона используется прямая ветвь ВАХ, имеющая Для компенсации температурных изменений последовательно со стабилитроном включают 1 или несколько стабисторов:
Созданные по данному принципу стабилитроны называются прецизионными (например, КС191А). Прецизионные стабилитроны обладают высокой температурной стабильностью и высокой точностью стабилизации. Используются они в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в цифровых схемах. Вместо стабистора можно использовать обычный выпрямительный диод, у которого прямая ветвь ВАХ также имеет Применение стабилитронов: · Стабилизаторы напряжений. · Источники опорного напряжения в цифровых схемах. Варикап Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Обозначение:
Барьерная емкость варикапа зависит от приложенного к варикапу обратного напряжения следующим образом: Таким образом, изменяя обратное напряжение, можно менять емкость варикапа, поэтому можно сказать, что варикап – это конденсатор переменной емкости, управляемый не механически, а электрически (изменением обратного напряжения). Фотодиод Фотодиоды – это полупроводниковые диоды, преобразующие световую энергию в энергию электрическую. Обозначение:
Изготавливают фотодиоды из германия и кремния. Работает фотодиод при обратном включении. Устройство: P-n переход помещается в металлический корпус со стеклянным окном. Принцип работы: Принцип работы фотодиода основан на внутреннем и внешнем фотоэффекте. Когда диод не освещен, в цепи протекает обратный темновой ток небольшой величины
(Используется при слабых световых (Используется при мощных потоках) световых потоках, например, солнечное излучение)
ЕВН
а) Пусть имеется поток фотонов с энергией б) Пусть освещение перехода отсутствует. В этом случае фотогенерация также будет отсутствовать, поэтому через переход суммарным полем будут перебрасываться в небольшом количестве ННЗ, образованные за счет генерации, и через диод будет протекать темновой ток Рассмотрим ве́нтильный режим: В этом режиме будут происходить те же самые процессы, что и в фотодиодном режиме, только переброс ННЗ через переход будет осуществляться исключительно за счет внутреннего поля Применение фотодиодов: · В вычислительной технике фотодиоды используют в устройствах ввода-вывода информации, т.к. фотодиоды обладают хорошей развязкой между входом и выходом (отсутствует электрическая связь между входом и выходом). · В кино-, фото-аппаратуре. · В оптронах в качестве фотоприёмников. · Вентили – в качестве солнечных батарей.
Светодиод Светодиоды – это полупроводниковые диоды, преобразующие электрическую энергию в световую. Обозначение:Пример: АЛ102Б, АЛ307А
Принцип работы: Под действием прямого напряжения ОНЗ диффундируют в соседние области, где они рекомбинируют с зарядами противоположного знака. Рекомбинация сопровождается переходом электронов из ЗП в ВЗ. При этом выделяется энергия в виде квантов излучения W(эВ)
Для получения видимого излучения, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны находилась в пределах: Отсюда видно, что германий и кремний для изготовления светодиодов непригодны, т.к. они имеют ширину запрещенной зоны меньшую, чем необходимо для видимого излучения ( Для изготовления светодиодов применяется фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), тройные соединения, называемые твердыми растворами и состоящими из галлия, алюминия и мышьяка (Ga, Al, As) или галлия, мышьяка, фосфора (Ga, As, P). Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного цвета. Кроме светодиодов, дающих видимое свечение, используются светодиоды инфракрасного излучения на основе арсенида галлия (GaAs), у которого Конструктивно светодиоды выполняются: · В непрозрачных корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение. · В прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. · В бескорпусном варианте. Применение: Индикация, реле, датчики, пульты. Оптрон Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены фотоизлучатель и фотопроемник, между которыми существует оптическая связь. В качестве фотоизлучателя может выступать светодиод, а в качестве фотоприемника фотодиод, фототранзистор, фототиристор. Обозначение диодной пары: Тиристорная пара: Транзисторная пара:
Между фотоизлучателем и фотоприемником должна быть среда, которая играет роль световода. Световод должен быть прозрачен в рабочей области, обладать большим коэффициентом преломления, чтобы минимизировать потери света при многократном отражении от границ светодиода и световода. Большое распространение получили волоконные световоды (тонкие нити стекла или пластмассы (волокна). Светопроводящие волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели, проводящие свет подобно тому, как многожильные металлические кабели проводят электрический ток. С помощью волоконной оптики можно получить большое количество каналов для передачи оптической информации. Волокна световода можно изгибать и скручивать, причем каждое волокно все равно будет передавать свой оптический сигнал, например определенный элемент изображения. Оптроны бывают с внутренней фотонной связью и с внешней фотонной связью. Оптрон с внутренней фотонной связью:
1- Фотоизлучатель 2- Световод 3- Фотоприемник Принцип работы: электрический сигнал поступает на фотоизлучатель (светодиод), где преобразуется в световой сигнал, который по световоду поступает на фотопремник. За счет внешнего фотоэффекта фотоприемник преобразует световой сигнал снова в электрический. Данный оптрон осуществляет преобразование: электрический сигнал – оптический сигнал – электрический сигнал. Применение: · усиление электрических сигналов; · обеспечение гальванической развязки между входом и выходом. Оптрон с внешней фотонной связью:
4 – фотоприемник 5 – усилитель 6 – фотоизлучатель Принцип действия: световой поток поступает на фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем и поступает на фотоизлучатель. В фотоизлучателе происходит обратный процесс (электрический сигнал преобразуется в световой). Данный оптрон осуществляет преобразование: оптический сигнал – электрический сигнал – оптический сигнал. Применение: · усиление оптических сигналов; · преобразование частоты оптических сигналов (на входе оптический сигнал одной частоты, на выходе – другой, например, сигнал инфракрасного или рентгеновского излучения преобразуется в сигнал видимого спектра). Достоинства оптронов: · отсутствие электрической связи между входом и выходом. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать R=1014 Ом; · широкая полоса пропускаемых частот (ПП=0÷1014Гц); · высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей; · высокое быстродействие (используется в качестве переключателя). Недостатки оптронов: · большая потребляемая мощность из-за того, что дважды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок; · низкая температурная стабильность; · низкая радиационная стойкость; · заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени; · относительно высокий уровень собственных шумов.
Транзисторы Биполярные транзисторы Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя выводами.
Биполярным транзистор называется потому, что его работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).
Биполярные транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости. В транзисторах p-n-p проводимости стрелка направлена к базе, основными носителями заряда являются дырки. В транзисторах n-p-n проводимости стрелка направлена от базы, основными носителями заряда являются электроны. И в том, и в другом случае стрелка указывает направление эмиттерного тока. Обозначение:
Если транзистор рассматривать как узловую точку, тогда справедлив 1-й закон Кирхгофа (сумма входящих токов равна сумме выходящих), т.е.:
Из этого выражения вытекает:
Режимы работы транзистора Биполярный транзистор имеет два p-n перехода: эмиттерный переход (ЭП) – переход между эмиттером и базой и коллекторный переход (КП) – переход между базой и коллектором. Режим отсечки. К обоим переходам подводится обратное напряжение. В цепи транзистора текут небольшие неуправляемые токи. Транзистор полностью закрыт. Режим нерабочий.
Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Эмиттер и коллектор инжектируют НЗ в базу, поэтому ток базы – максимальный. Транзистор полностью открыт, но при этом неуправляем (выходной ток не регулируется входным током). Режим нерабочий.
Активный (рабочий) режим. ЭП находится под прямым напряжением, а КП – под обратным. Эмиттер инжектирует ОНЗ в базу, где они становятся ННЗ и подвергаются экстракции в коллектор.
Инверсный режим. Транзистор – прибор обратимый. К ЭП подводится обратное напряжение, а к КП – прямое, т.е. эмиттер и коллектор меняются ролями. Режим нерабочий (не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора, т.к. эмиттер и коллектор имеют разные размеры и обладают разными электрофизическими свойствами).
Принцип работы транзистора
p ЭП n КП p
Пусть транзистор находится в активном (рабочем) режиме, т.е. на ЭП подано прямое напряжение, а на КП – обратное. При этом возникает инжекция дырок из эмиттера в базу, в обратном направлении будет происходить инжекция электронов. Ток, проходящий через ЭП, равен сумме дырочной и электронной составляющих: Т.к. концентрация ОНЗ в эмиттере много больше концентрации ОНЗ в базе, то инжекция дырок будет преобладать над инжекцией электронов, т.е. Пришедшие в базу дырки начинают рекомбинировать с электронами. Но рекомбинация – процесс не мгновенный. Поэтому бо́льшая часть дырок успевает пройти через тонкий слой базы и достигнуть КП.Суммарное поле КП ( Те дырки, которые всё же успевают прорекомбинировать с электронами в базе, участвуют в создании тока рекомбинации Таким образом, суммарный ток базы равен: Все составляющие этого тока малы, следовательно, ток базы также мал. Рекомбинация в базе + инжекция электронов из базы в эмиттер нарушают электрическую нейтральность базы (база приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности базы от внешнего источника питания ( Пришедшие в эмиттер из базы электроны и ушедшие из эмиттера дырки нарушают электрическую нейтральность эмиттера (эмиттер приобретает отрицательный заряд). Для восстановления нейтральности эмиттера избыточные электроны уходят из эмиттера к внешнему источнику питания ( Пришедшие в коллектор дырки нарушают его электрическую нейтральность(коллектор приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности в коллектор поступают электроны от внешнего источника питания ( А) Общий эмиттер (n-p-n)
Изображена теоретическая схема усилителя. Практически используется один источник питания, а не два. Назначение элементов: VT – усилительный элемент; Еп – источник питания, подающий обратное напряжение на КП; Есм – источник питания, подающий прямое напряжение на ЭП; Uс – источник переменного сигнала; Rк – сопротивление коллекторной нагрузки (на нем выделяется усиленный сигнал). Б) Общая база (n-p-n)
Транзисторе. H-параметры Недостаток первичных параметров – невозможность их измерения, т.к. общая точка, относительно которой определяются первичные параметры, находится внутри Базы транзистора. Поэтому переходят к вторичным параметрам транзистора, которые легко измерить. Самыми распространенными вторичными параметрами транзистора являются h-параметры. В системе h-параметров в качестве независимых переменных (аргументов) принимают входной ток (I1) и выходное напряжение (U2). Зависимыми переменными (функциями) являются входное напряжение (U1) и выходной ток (I2).
U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2
Здесь I1, I2, U1, U2 – амплитуды переменных токов и напряжений (индекс «1» относится к входному сигналу, а индекс «2» - к выходному), h11, h12, h21,h22 являются коэффициентами пропорциональности (индекс «11» означает 1-я строчка, 1-й столбец; «12» - 1-я строчка, 2-й столбец и т.д.)
Таким образом, имеем систему 2-х уравнений с четырьмя неизвестными. Решить такую систему уравнений в общем виде невозможно. Для ее решения необходимы дополнительные условия. Так, например, чтобы определить из первого уравнения h11, нужно второе слагаемое этого уравнения занулить, т.е. считать, что U2=0. Тогда Аналогично определяем:
короткозамкнутом выходе;
Пример расчета h-параметров транзистора ОЭ Изобразим транзистор ОЭ с его входными и выходными токами и напряжениями:
а) Определим входное сопротивление транзистора. Для этого запишем формулу: индекс «э» означает, что транзистор собран по схеме ОЭ Входное сопротивление транзистора определяется по входным вольт-амперным характеристикам. Точка А – это рабочая точка, в которой определяются h-параметры.
Полевые транзисторы Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы с управляемым каналом для тока ОНЗ. Полевой транзистор содержит 3 электрода:
  Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...  Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...  ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
Стрелка указывает направление прямого тока 
. Диод – это несимметричный p-n переход.
Трансформатор служит для понижения входного напряжения 
до значения 
. U2 
0 + t
UВЫХ
заряд
разряд
, который создает на нагрузке падение напряжения 
(закон Ома). При отрицательной полуволне напряжения 
.
подключают блокировочный конденсатор 
.
.
.
, получим: 
.
или
, где 
, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора в этом случае будет стремиться к бесконечности, а через бесконечно большое сопротивление ток протекать не может.
ВАХ стабилитрона:
UОБР UСТ НОМ 0 1В UПР
IСТ НОМ
- напряжение стабилизации при температуре 
;
- напряжение стабилизации при температуре 
;
- разность температур.
показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1К.
, работающие на лавинном пробое.
- такие стабилитроны называются стабисторами.
- стабилитрон (
- стабистор (
.
. При освещении фотодиода происходит фотогенерация пар НЗ (т.е. возникает внутренний фотоэффект – валентные электроны, получив световую энергию фотонов, переходят из ВЗ в ЗП). Проводимость диода при этом возрастает, следовательно, возрастает обратный ток фотодиода до значения 
. Разность между световым и темновым токами называется фототоком: 
Фотодиод может включаться в схему как с внешним источником питания (фотодиодный режим), так и без него (ве́нтильный режим).
p n
ННЗ
ЕВНЕШН
. Образовавшиеся за счет фотогенерации НЗ диффундируют к переходу. Суммарное поле перехода ( 
) является ускоряющим для ННЗ, поэтому ННЗ перебрасываются полем в соседние области, образуя световой ток 
.
Светодиоды работают при прямом включении.
Ө
WП
hv 
WВ
.
).
. Они применяются в фотореле, различных датчиках, пультах, входят в состав некоторых оптронов.
– основное уравнение транзистора
- это максимальный ток транзистора.
ЕВН
IЭБ IК
+ IБ +
UПР UОБР 
.
.
(управляемая часть коллекторного тока). Т.к. КП находится под обратным напряжением, через него протекает еще один ток – неуправляемый тепловой ток коллекторного перехода 
. Суммарный ток коллектора равен: 
. Т.к. тепловой ток мал, то 
.
.
) в базу поступают электроны. Т.к. ток всегда направлен в сторону, противоположную движению электронов, токи 
имеют направление сверху вниз, следовательно, ток базы 
имеет такое же направление.
), т.е. во внешней эмиттерной цепи протекает ток 
), т.е. во внешней коллекторной цепи протекает ток 
сверху вниз.
Связь между зависимыми и независимыми переменными выражается с помощью системы уравнений:
при 
- входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе.
при 
- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе;
при 
при 
при 
,т.е. при 
Iб (mA)
0,75 Uкэ=5В
б 
=
бэ 0,55
, необходимо выполнить дополнительное построение: это построение обязательно должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие 
). Исходя из вышесказанного, строим небольшой прямоугольный треугольник таким образом, чтобы его гипотенуза прилегала к входной характеристике и делилась рабочей точкой А пополам. Тогда катеты этого треугольника и будут искомыми значениями 
и 
, зная которые, легко определить входное сопротивление транзистора: 