Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Схема однополупериодного выпрямителя





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

Стрелка указывает направление прямого тока . Диод – это несимметричный p-n переход.

Выпрямительный диод

Назначение выпрямительного диода – преобразование переменного напряжения в постоянное.

Работа выпрямительного диода основана на его односторонней проводимости.

Схема однополупериодного выпрямителя

Трансформатор служит для понижения входного напряжения до значения . U2

0 + t

Т

IД

0 t

UВЫХ

заряд

разряд

0 t

 

При положительной полуволне напряжения диод находится под прямым напряжением, сопротивление диода мало, через него протекает ток , который создает на нагрузке падение напряжения (закон Ома). При отрицательной полуволне напряжения диод находится под обратным напряжением, его сопротивление велико, через диод ток не протекает. При этом и падение напряжения на нагрузке будет .

Таким образом, через диод и нагрузку протекает пульсирующий ток (то он есть, то его нет).

Для сглаживания пульсаций параллельно сопротивлению нагрузки подключают блокировочный конденсатор .

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 , получим: .

Отсюда выражаем или

, где

 

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 , следовательно, реактивное сопротивление конденсатора в этом случае будет стремиться к бесконечности, а через бесконечно большое сопротивление ток протекать не может.

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

ВАХ стабилитрона:

IПР

 

 

UОБР UСТ НОМ 0 1В UПР

IСТ НОМ

 

 

IОБР

 

Одним из характерных параметров стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации:

- напряжение стабилизации при температуре ;

- напряжение стабилизации при температуре ;

- разность температур.

 

показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1К.

бывают больше и меньше нуля.Обычно используют стабилитроны с , работающие на лавинном пробое.

Иногда в качестве рабочего участка стабилитрона используется прямая ветвь ВАХ, имеющая - такие стабилитроны называются стабисторами.

Для компенсации температурных изменений последовательно со стабилитроном включают 1 или несколько стабисторов:

- стабилитрон ( )

- стабистор ( )

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 . 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).

 

(Используется при слабых световых (Используется при мощных

потоках) световых потоках, например,

солнечное излучение)

Рассмотрим фотодиодный режим:

p n

ННЗ Ө

ЕВН ННЗ

ЕВНЕШН

UОБР

 

 

а) Пусть имеется поток фотонов с энергией . 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 .

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 небольшой величины.

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

Светодиоды работают при прямом включении.

 

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)

Ө

WП

hv

WВ

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 . Они применяются в фотореле, различных датчиках, пультах, входят в состав некоторых оптронов.

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.:

 

– основное уравнение транзистора

Из этого выражения вытекает: - это максимальный ток транзистора.

 

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

IЭР IКР

ЭК

IЭ IЭn IРЕК IКБО IК

ЕВН

IЭБ IК

IБ ЕВНЕШН

+ IБ +

UПР UОБР

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 ( ) является ускоряющим для дырок, поэтому дырки перебрасываются этим полем через КП (происходит экстракция ННЗ) и участвуют в образовании дырочной составляющей коллекторного тока (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 .

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 ( ) в базу поступают электроны. Т.к. ток всегда направлен в сторону, противоположную движению электронов, токи и имеют направление сверху вниз, следовательно, ток базы имеет такое же направление.

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 ( ), т.е. во внешней эмиттерной цепи протекает ток снизу вверх.

Пришедшие в коллектор дырки нарушают его электрическую нейтральность(коллектор приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности в коллектор поступают электроны от внешнего источника питания ( ), т.е. во внешней коллекторной цепи протекает ток сверху вниз.

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).

Связь между зависимыми и независимыми переменными выражается с помощью системы уравнений:

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 при - входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе.

Аналогично определяем:

при - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе;

 

при - коэффициент усиления по току при

короткозамкнутом выходе;

 

при - выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе.

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: при . Заменив амплитуды на малые приращения и подставив значения входного тока, входного и выходного напряжений конкретно для транзистора ОЭ, получим: при ,т.е. при

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.

Iб (mA)

0,75 Uкэ=5В

 
 


б

=

0,25 Uбэ (В)

0,3 бэ 0,55

Чтобы определить , необходимо выполнить дополнительное построение: это построение обязательно должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие (в данном случае ). 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:

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы с управляемым каналом для тока ОНЗ.

Полевой транзистор содержит 3 электрода:

· Исток – электрод, через который в канал втекают НЗ, создающие ток канала;









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.