Тема 2.2 Електронні пристрої

1)Інтегральні мікросхеми

2)Електронні випрямлячі

3)Стабілізатори

1) Чотиришаровий кремнієвий вентиль, що має два електроди (анод і катод), називається діністором. Якщо окрім анода і катода є третій (керівник) електрод, то вентиль стає керованим і називається тиристором. Тиристор, а також діністор виконують чотиришаровими: р-п-р-п (Рисунок.1.59). Середня область/? тиристора має висновок — управляючий електрод у. При відключеному управляючому електроді тиристор перетворюється в діністор.

Рисунок.1.59. Схема пристрою тиристора

Якщо між анодом і катодом вентиля буде прикладена невелика постійна напруга в прямому напрямі, то переходи П1 і ПЗ виявляться відкритими і їх опір мало. Перехід П2 буде включений у зворотному напрямі і його опір великий, так що вся прикладена до тиристора напруга буде практично на переході П2, а струм в ланцюзі малий. При підвищенні напруги П2 на тиристорі струм в ланцюзі збільшується трохи, оскільки обмежується великим опором переходу П2, і вольт-амперна характеристика тиристора буде подібна зворотній гілці характеристики діода (крива Оа на Рисунок.1.60.) Якщо напруга досягне деякого певного значення, званого напругою

Рисунок.1.60. Вольт-амперна характеристика тиристора

перемикання Un, то в переході П2 напруженість електричного поля стає достатньою для іонізації і утворення нових вільних носіїв зарядів (електронів і дірок), його опір різко зменшується і тиристор відкривається. Напруга на відкритому тиристорі (ділянка бв вольт-амперної характеристики) мало (порядку 1-2В) і майже незмінна, так що струм в ланцюзі обмежується опором зовнішнього навантаження.

Найбільший струм тиристора лімітується гранично допустимою потужністю, розсіюваною їм. Якщо зменшити струм через відкритий тиристор, то він залишатиметься відкритим до тих пір, поки струм тиристора достатній для підтримки процесу утворення носіїв зарядів в переході П2. При струмі, меншому певного значення, незалежним струмом утримання 1уд, тиристор закривається, тобто повертається в непровідний стан.

Якщо на управляючий електрод подати позитивний потенціал від стороннього джерела, то в переході П2 виникне струм управління і з'являться додаткові носії зарядів, унаслідок чого зменшиться напруга перемикання цього переходу і тиристор відкриється при меншій напрузі Un1. Чим більше струм управління 1у, тим більше за додаткові заряди в переході П2 і менше напруга перемикання тиристора. При певному значенні струму управління 1ус тиристорів працюватиме як некерований вентиль, тобто буде відкритий при будь-якій позитивній напрузі на його аноді. Таким чином, тиристор відкривається як при подачі на його анод напруги перемикання, так і при включенні струму управління достатнього значення 1ус. Оскільки управляючий електрод після відкриття тиристора перестає робити вплив на його роботу, то в ланцюзі управляючого електроду проходить короткочасний імпульс струму прямокутної форми і тривалістю приблизно 10 мкс.

При подачі на затиски тиристора зворотної напруги Uобр він буде закритий назад включеними переходами П1 і ПЗ незалежно від управляючого струму і його вольт-амперна характеристика практично не відрізняється від зворотної гілки вольт-амперної характеристики некерованого вентиля.

Тиристори мають два стійкі стани: при закритому тиристорі його опір дуже великий (R~oo), при відкритому— мало (R-0). Тому тиристори знаходять застосування як безконтактні перемикачі в інвертуваннях, регульованих випрямлячах, в схемах захисту і т.д. Конструкція потужнього тиристора показана на Рисунок.1.61. Чотирьохшарова кристалічна

структура (4), укріплена на кристалотримачі (3), поміщена в рис. 1.61. Конструкція металевому корпусі (2), в могутнього тиристора нижньої частини якого знаходиться різьбовий вивід катода (1). До верхнього р-шару припоєм (5) кріпиться плетений висновок анода (7). У середню р-область вводиться висновок управляючого електроду (8). Висновки анода і управляючого електроду закріплюють в корпусі ізолятором (6).

Схематичне позначення керованого тиристора зображено на Рисунок.1.62.

2) Одним з головних застосувань напівпровідникових діодів є виправлення змінного струму. Випрямляч служить для перетворення змінного електричного струму в постійний струм.

Схема простого випрямляча зображена на Рисунок.1.64.

На вхід випрямляча подається змінна напруга електроосвітлювальної мережі. До виходу випрямляча підключений резистор RH, символізуючий навантаження, що харчується від випрямляча. Функцію випрямленого елементу виконує діод V. Суть роботи такого випрямляча ілюструють графіки, поміщені на тому ж малюнку. При позитивних підлозі періодах напруги на аноді діод відкривається. У ці моменти часу через діод, а значить, і через навантаження, підключене до випрямляча, тече прямий струм діода 1пр. При негативних напівперіодах напруги на аноді діод закривається і у всьому ланцюзі, в яку він включений, тече незначний зворотний струм діода loбp. Діод як би відсікає велику частину негативних напівхвиль змінного струму (на Рисунок.1.64 а показано штриховими лініями). І ось результат: через навантаження

Рисунок.1.64. Схеми однопівперіодного випрямляча

RH, підключену до мережі через діод V, тече вже не змінний, а пульсуючий струм — струм одного напряму, але що змінюється по значенню з частотою 50 Гц. Це і є випрямляння змінного струму. Таким чином, діод є приладом, що володіє різко вираженою односторонньою провідністю електричного струму. І якщо нехтувати малим зворотним струмом (що і роблять на практиці), який у справних діодів не перевищує малі частки міліампера, можна вважати, що діод є одностороннім провідником струму.

Чи можна таким струмом живити навантаження? Можна, адже він випрямлений. Але не кожну. Лампу розжарювання, наприклад, можна, якщо, звичайно, вихідна напруга не перевищуватиме ту напругу, на яке лампа розрахована. Її нитка розжарюватиметься не постійно, а імпульсами, наступними з частотою 50 Гц. Через теплову інертність нитка не встигатиме остигати в проміжки між імпульсами, тому ніяких мерехтінь світла ми не помітимо.

А ось приймач живити таким струмом не можна. Тому що в ланцюгах його підсилювачів струм теж пульсуватиме з такою ж частотою. В результаті в телефонах або головці гучномовця на виході приймача прослуховуватиметься гул низького тони з частотою 50 Гц, званий фоном змінного струму. Цей недолік можна частково усунути, якщо на виході випрямляча паралель навантаженню підключити фільтруючий електролітичний конденсатор великої місткості, як це показано на Рисунок.1.64 6. Але і таким, дещо пригладженим струмом теж не можна живити приймач або підсилювач: він «робитиме» фон, оскільки пульсації поки що дуже відчутні.

У випрямлячі, з роботою якого ти зараз познайомився, корисно використовується енергія тільки половини хвиль змінного струму. Таке випрямляння змінного струму називають однопівперіоднимі, а випрямлячі — однопівперіодними випрямлячами. Проте випрямлячам, побудованим по таких схемах, властиві два істотні недоліки. Перший з них полягає у тому, що напруга випрямленого струму рівно зразкова напрузі мережі, тоді як для живлення транзисторних конструкцій необхідна нижча напруга, а для лампових часто вища напруга. Другий недолік — неприпустимість приєднання заземлення до приймача, живленого від такого випрямляча. Якщо приймач заземлити, струм з електромережі піде через приймач в землю — можуть перегоріти запобіжники. Крім того, приймач або підсилювач, що живлений від такого випрямляча і, таким чином, має прямий контакт з електромережею, небезпечні — можна одержати електричний удар.

Обидва ці недоліку усунені у випрямлячі з трансформатором (Рисунок.1.65). Тут випрямляється не напруга електромережі, а напруга вторинної (II) обмотки мережевого трансформатора Т. Поскільки ця обмотка ізольована

Рисунок.1.65. Двухполуперіодний випрямляч з мереженим трансформатором

від первинної мережевої обмотки І, радіоконструкція не має контакту з мережею і до неї можна підключати заземлення.

У випрямлячі на Рисунок.1.65 чотири діоди, включені по так званій мостовій схемі. Діоди є плечима випрямного моста. Навантаження RH включене в діагональ 1—2 мости. У такому випрямлячі протягом кожного напівперіоду працюють по черзі два діоди протилежних плечей моста, включених між собою послідовно, але стрічно по відношенню до другої пари діодів. Стеж уважно! Коли на верхньому (по схемі) висновку вторинної обмотки позитивний напівперіод напруги, струм йде через діод V2, навантаження RH, діод V3 до нижнього висновку обмотки II (графік а). Діоди VI і V4 в цей час закриті. Протягом іншого напівперіоду змінної напруги, коли плюс на нижньому висновку обмотки І, струм йде через діод V4, навантаження RH, діод VI до верхнього висновку обмотки (графік би). В цей час діоди V2 і V3 закриті і, природно, струм через себе не пропускають. І ось результати: міняються знаки напруги на висновках вторинної обмотки трансформатора, а через навантаження випрямляча йде струм одного напряму (графік в). У такому випрямлячі корисно використовуються обидва напівперіоди змінного струму, тому подібні випрямлячі називають двохпівперіодними.

Ефективність роботи двохпівперіодного випрямляча в порівнянні з однопівперіодним в наявності: частота пульсацій випрямленого струму подвоїлася, «провали» між імпульсами зменшилися. Середнє значення напруги постійного струму на виході такого випрямляча рівно зразкове змінній напрузі, діючій у всій вторинній обмотці трансформатора. А якщо випрямляч доповнити фільтром, що згладжує пульсації випрямленого струму, вихідна напруга збільшиться в 1,4 рази, тобто приблизно на 40%. Саме такий випрямляч служить для живлення транзисторних конструкцій.

3) Для забезпечення незмінної величини напруги, що виходить, використовується стабілізатор напруги. Стабілізатор напруги утримує вихідну напругу на постійному рівні.

Для стабілізації напруги призначені спеціальні діоди, які називаються стабілітронами. Стабілітрон — це теж діод, кремнієвий, але призначений він не для випрямляння змінного струму, хоча і може виконувати таку функцію, а для стабілізації, тобто підтримка постійності напруги в ланцюгах живлення електронної апаратури. Зовнішній вигляд однієї з конструкцій найпоширеніших стабілітронів і його графічне позначення показані на Рисунок.1.66.

По пристрою і принципу роботи кремнієві стабілітрони широкого застосування аналогічні площинним випрямним діодам. Але працює стабілітрон не на прямому, як випрямні або високочастотні діоди, а на тій ділянці зворотної гілки вольт-амперної характеристики, де незначна зворотна напруга викликає значне збільшення зворотного струму через прилад. Розібратися по суті дії стабілітрона допоможе його вольт-амперна характеристика, показана на Рисунок.1.67 а.

Рисунок.1.66. Стабілітрон і його графічне позначення на схемах

Рисунок.1.67. Вольт-амперна характеристика стабілітрона (а) і схема параметричного стабілізатора напруги (б)

Тут по горизонтальній осі відкладені в деякому масштабі зворотна напруга Uобр., а по вертикальній осі вниз — зворотний струм Іобр. Напругу на стабілітрон подають в зворотній полярності, тобто включають так, щоб його анод був сполучений з негативним полюсом джерела живлення. При такому включенні через стабілітрон тече зворотний струм Іобр. У міру збільшення зворотної напруги зворотний струм росте дуже поволі — характеристика йде майже паралельно осі Uобр. Але при деякій напрузі Uобр (на Рисунок.1.67 а — близько 8 В) р-п перехід стабілітрона пробивається і через нього починає текти значний зворотний струм. Тепер вольт-амперна характеристика різко повертає і йде вниз майже паралельно осі Іобр. Ця ділянка і є для стабілітрона робітником. Пробій же р-п переходу не веде до псування приладу, якщо струм через нього не перевищує деякого допустимого значення. На рис 1. 67 б приведена схема можливого практичного застосування стабілітрона. Це — параметричний стабілізатор напруги. При такому включенні через стабілізатор V тече зворотний струм І0бр, що створюється джерелом живлення, напруга якого може змінюватися в значних межах. Під дією цієї напруги струм Іобр, поточний через стабілітрон, теж змінюється, а напруга на ньому, а значить, і на підключеному до нього навантаженні RH залишається практично незмінним — стабільним. Резистор R обмежує максимально допустимий струм, поточний через стабілітрон.

Ось найважливіші параметри стабілітрона: напруга стабілізації Uст, струм стабілізації Iст, мінімальний струм стабілізації Iст min і максимальний струм стабілізації Iст m ах . Параметр Uст — це та напруга, яка створюється між висновками стабілізатора в робочому режимі. Наша промисловість випускає кремнієві стабілітрони на напругу стабілізації від декількох вольт до 180 В. Мінімальний струм стабілізації Iст min — це якнайменший струм через прилад, при якому починається стійка робота в режимі пробою (на Рисунок.1.67 а — штрихова лінія Iст min); із зменшенням цього струму прилад перестає стабілізувати напругу. Максимально допустимий струм стабілізації Iст max — це найбільший струм через прилад (не плутати із струмом, поточним в ланцюзі, що харчується від стабілізатора напруги), при якому температура його р-п переходу не перевищує допустимою (на Рисунок.1.67 а — штрихова лінія Iст max) - Перевищення струму Iст max веде до теплового пробою р-п переходу і, природно, до виходу приладу з ладу.

Останніми роками замість стабілізаторів на дискретних компонентах все частіше використовують стабілізатори на інтегральних мікросхемах.

Сучасні стабілізатори на інтегральних мікросхемах дешеві і прості в застосуванні. Більшість стабілізаторів на інтегральних мікросхемах має тільки три висновки (вхід, вихід і земля) і може бути під’єднані безпосередньо до виходу фільтру випрямляча. Стабілізатори на інтегральних мікросхемах забезпечують широкий діапазон вихідних напруг як позитивної, так і негативної полярності. Існують також двохполярні стабілізатори напруги. Якщо стабілізатора з потрібною напругою немає серед стандартних мікросхем, можна використовувати мікросхему стабілізатора з регульованою напругою.

При виборі мікросхеми стабілізатора необхідно знати напругу і струм навантаження, а також електричні характеристики нестабілізованого блоку живлення.

Лекція