Тақырып №25-26. Электромагнитті реле.

1.Нейтралды электромагнитті реле. Оның тарту және динамикалық сипаттамасы. 2.Электромагнитті релелердің динамикалық параметрлері.

Үздіксіз АРЖ үшін динамика теңдеулері әдетте сызықты дифференциалдық, интегралды дифференциалдық немесе алгебралық теңдеулер түрінде келтіріледі. Импульсті құралғылар үшін динамика теңдеуі сызықтық теңдеулер түрінде жазылады

Импульсті құрылғылардың динамикалық теңдеуі шекті айырымды сызықты теңдеу түрінде жазылады.

АРЖ жобалау және есептеу әдістерін қысқарту мақсатында объектілер және олардың құрлымдарының динамикасы теңдеуі функциялардың түп нұсқалары арқылы емес, Лаплас түрлендіруі арқылы алынған бейнеленген функция түрінде жазылады. Егер түп нұсқа болса, онда функциясының бейнесі S компклексті айнымалы функциясы және интеграл көмегімен беріледі.

1-ші кестеде түп нұсқалар және бейнелер туралы қарапайым операциялар келтірілген.

Операция түрі	Түп нұсқа	Бейне
Сызықтық түрлендіру
Нолдік бастапқы шарттар кезіне дифференциалдау
Интегралдау
Жылжыту операциясы

Төмендегідей дифференциалдық теңдеу берілсін (бастапқы шарттар нольге тең)

Оның бейнесі

2-кестеде АРЖ есептеу кезінде көп кездесетін функциялардың бейнелері келтірілген.

2-кесте

Түп нұсқа	Бейне	Түп нұсқа	Бейне

Автоматты реттеу теориясында функцияның бейнесі түріндежазылған АРЖ құрылғылары және нысаналары теңдеулері беріліс функцияларыарқылы жазылады. Жеткізу функциясы деп шығыс шамасы бейнесінің, кіріс шамасы бейнесіне қатынасы қарастырылады (нольдік басты шартта).

Осы теңдеудің жеткізу функциясы

Дәріс №27-28. Датчиктер.

1.Жалпы мағлұматтар. Датчиктерді жасаудың жалпы принциптері.

2.Температура датчигі

Электрондардың кемтіктерге қарағанда орындарын бірден ауыстыратындығына байланысты электрондық өткізгіштік кемтіктік өткізгіштікке қарағанда әлдеқайда жылдам болып шығады. Сондықтан да электрондық өткізіштік негізінде жасалынған электрондық аспаптар кемтіктік негіздегі аспаптардан тездік жағынан болсын, жиілігі жағынан болсын басым келеді.

Заттардың өткізгіштік жағынан өзара жіктелуіне зоналық теория тұрғысынан да баға беруге болады. Мысалы, тыйым салынған зонаның ені шамамен 0,5-3 эВ аралығында болса, онда ондай заттар жартылай өткізгіштер қатарына жатады, ал егер одан кем болса, өткізгіштерге, ал артық болса, онда диэлектриктерге жатады.

Электрон-кемтік жүбының пайда болуын кристалл торынан да көруге болады. Мысал ретінде Gе торын алайық. Әрбір атомының жоғарғы қабатында төрт электрон (4 валентті болғандықтан) бар. Көрші атомдар өзара бір-бір электрондарымен алмаса отырып, ковалентгік байланыс қүрады да, алынған кристалл торы тетраэдр болып шыгады. Күрделі кеңістіктік қүрылым болганына қарамастан, осы кристалл торын қарапайым жазықтық кейіпте де көрсетуге болады (3-сурет)

Суретте әр бір Gе атомы +4 (ядро заряды) белгісімен өрнектеліп, ал электрон жүптары орбита деңгейлерінде көрсетілген (суретте элсктрондардың толық саны тек орталық атомда ғана берілген). Көріп отырғанымыздай, осы орталық атомның сыртқы қабатында (орбитасында) 8 электрон бар (төртеуі өз электроны, ) төртеуі көрші атомдардан алмастырылған), Бүл, әрине, бір сипатты атомдар қүрылысьшан түратын Gе торының өте берік қүрылым екендігін тағы да дәлелдейді.

Ендіберілген сурет бойынша өткізгіштік қасиеттің пайда болу жолын талдап көрейік. Белгілі бір себеппен (жылу, сәуле т.б.) кристалл торынан бір электрон босап шықты делік; (1.3-суретге үзікті сызықпен көрсетілген). Босаған электрон I

электр тогын өткізуге бірден кірісе алады да, бүдан пайда болған өткізгіштік электрондық немесе п-текті (neganiv сөзінің бас әрпінен) өткізгіштік деп аталады. Ал электронның босаған орны кемтік болады да, оған байланысты өткізгіштік кемтіктік немесе р-текті (pozitiv - оң текті) деп аталады. 1.3-суретте электрон боялған қара дөңгелекпен, ал кемтік боялмаған дөңгелекпен кескінделіп, олардың пайда болу бағыттары үзікті және үзікті-нүктелі сызықтармен көрсетілген. Көрсетілген электрон-кемтік жұбының пайда болуына байланысты .туған өткізгіштік жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі болып табылады. Меншікті өткізгіштіктің шамасы өте аз. Мысалы, бір электрон-кемтік жүбының пайда болу мүмкіндігі шамаыен 2-10⁹ атомға сәйкес келеді екен. Сондықтан да электрондық аспаптар жасауда жартылай өткізгіштердің тікелей таза түрі пайдаланылмай, олардың белгілі бір қоспалы түрлері қолданылады. Қоспа ретінде Менделеев кестесінің III (In, B, Al) және V топтарының (As, Sb) элементтері пайдаланылады. Мысал ретінде 5 валентгі қоспаның әсерін зерттеп көрелік. Нақтылық үшін негізгі жартылай өткізгіш ретінде кремнийді (Sі), ал қоспа ретінде сурьманы (Sb) алайық. Алып отырған қоспамыз 5 валентті болғандықтан оның жоғарғы орбитасында 5 электрон болуы керек. Оның төртеуі көрші Sі атомдарымен коваленттік байланысқа түседі де, ал бесіншісі бүл байланыстан тыс, оқшау қалады (1.4,а-суретті қараңыз).

Осы артық қалған электронның ядроға тартылыс күші өте әлсіз болады да, оған аздап энергия бергеннің өзінде де, ол кристалл торынан босап шығып, ток өткізуге қатыса алады.

Егер осы электрон атом қүрылымын тастап кете қойған жағдайда Sb атомы қандай кұйде болар еді? Осы қалған оң зарядnалған (электрон кеткендіктен) қоспа атомын электр тогын түзе алатын кемтікпен салыстыруға бола ма? Болмайды екен! Өйткені Sb атомы оң зарядnалғанымен кремнийдің кристалл торымен мықты байланыста қалып, бір атомға ғана тән, өткізгіштік токқа үлесін қоса алмайтын, қозғалмайтын ион қүрады. Ал кемтік дегеніміз - екі атомға бірдей тән, кез келген электронмен толықтырылып, орнықты атом қүрылысын бере алатын бос орын.

Жоғарыда аталган Sb қоспамыз жартылай өткізгішке электрондық немесе п-текті өткізгіштік береді де, донор деп аталады (артық электронын беріп отыр). Зоналық теория бойынша донордің энергетикалық деңгейі тыйым салынған зонада (басқа элемент болмағандықтан) ткізгіштік зонаның түбіне жақьн орналасып, электрондардың өткізгіштік зонаға өтуын көп жеңілдетеді (1.4,ә-сурет). Суретте көрсетілгеңдей, донордың энергетикалық деңгейі (Ед) электрондарға бай да, оның үстіне олардың өткізгіштік зонаға өтуіне бар болғаны ΔЕ1 энергиясы (1.4,ә-сурет) қажет. Бүрынғы таза жартылай өткізгіштің тыйым салынған зонасының еніне (ΔЕ-ге) қарағанда, бүл әлдеқайда аз: ΔЕ1 «ΔЕ.

п жартылай өткізгішінде элетрондар негізгі заряд тасушылары деп аталады. Өте аз болғанымен мүнда кемтіктер де бар (меншікті өткізгіштіктің арқасында). Олар - негізгі емес заряд тасушылар.

Егерде біз, қоспа ретіиде үш валентгі элемекг алатын болсақ, оища оның маңайында бір электронның жетіспейтіндігі байқалар еді (8 электрон болу үшін). Осы жетіспеушілікке байланысты кез келген көрші атомның электроны осы орынға ауыса алады, Онда қоспаның атомы теріс зарядталып, қозғалмайтын теріс ион қүрады да, ал келген электронның баю орыны кемтік болып шығады. Мүңдай жартылай өткізгіш кемтіктік иемесе р-текті жартылай өткізгіш болып, ал қоспа акцептор деп аталады.

р-текті жартылай өткізгіште негізгі заряд тасушылар кемтіктер де, негізгі емесі - электрондар болып табылады. Жоғарыда донорға байланысты ескертілгендей, кемтікгі бөлек бөліп алган жағдайда, акцептор атомы қозғалмайтып теріс ионға айналады. Зоналық теория түрғысынан акцептордың энергетикалық деңгейі тыйым салынған зонада валенттік зонаның төбесіне жақын орналасып, кемтіктердің осы деңгейден валенттік зонаға ауысуын жеңілдетеді.

Қорыта келгенде, жартылай өткізгіштер меншікті, қоспалы болып екіге бөлінеді. Меншікті жартылай өткізгіштер өмірде тікелей аз қолданылғанымен, электрондық аспаптарға қажетті қоспалы жартылай өткізгіштерден (р-, п-текті) негізі болып табылады. Олай болса, біз неге өте таза жартылай өткізгіштік шикізат алуға тырысамыз? Ол үшін тіпті ғарышта тәжірибе жасауға ғарышкерлерімізге тапсырма береміз. Оның себебі мынада. Белгілі бір сапалы электрондық аспап жасау үшін тек белгілі бір қасиетті қоспалы жартылай өткізгіш қажет. Оны алу ушін тек белгілі бір мөлшерде ғана қоспа қосуымыз керек. Ал қанша қоспа қосқанымызды анық білу үшін бастапқы негізгі шикізатымыз өте таза болуы тиіс. Оның тазалығына қойылатын талаттің күштілігі соншалықты, көзге көрінбейтін шаң-тозаңның әрбір бөлшегін есептеуімізге тура келеді. Мысалы, кәдімгі өзіміз дем алатын 1 м3 ауада 50 млн шан-тозаң болады екен. Ал электрондық аспаптың жоспарланған қасиетін қамтамасыз ететін таза жартылай өткізгіш алу үшін 1 м3 ауадағы шаң-тозаңның саны 3 - 3.5 мыңнан аспауы керек. Сол себептен де электрондық өндірістің электрондық аспаптар жасайтын цехтары арнайы таза ауамен қамтамасыз етіліп, олар таза өндірістік жай

деп аталады.

Диод - екі электродты, бір бағытта ғана ток өткізетін аспап

Жартылай өткізгштік диодтың дамуы вөкен ғасырдын екінші жартысында басталды. Оны неміс ғалымы Браунның 1874 жылы металл мен күкіртті қорғасыннын түйісу нұктесінде болатын қүбылыстарды түсіндіруге жасаған тәжірибесі себеп болды. Зерттей келгенде, аталган түйісу қабаты бір бағытта ғана ток өткізетін, вентильдік қасиеті бар қазіргі Шотки-диодтары тобының бірінші өкілі болып шықты. Өйтсе де, бұл диодтардың өндірісте кең пайдаланылуы жартылай өткізгіштік электрондіқ аспаптардің негізгі буыны — транзистордың ашылуын күткендей, біздің ғасырымыздың ортасына дейін кең өріс ала алмады. Оның себебі, сол кездердегі қарапайым да, төменгі сатылы технологиялық әдістермен жасалынған диодтің сапасының төмендігінде больш, олардың электрвакуумдық диодтың "тегеурініне" төтеп бере алмауы еді

Жартылай өткізігіштік диод схемаларда жебе белгісіне үқсас үшбүрышпен белгіленіп (1.5,а-сурет), оның бағыты токтың өту бағытын көрсетеді. Үшбүрыштың үш жағы катод (К) да, сырт жағы анод (А) деп аталады. Ток әрқашанда анодтан катодқа қарай ағады. Идеалдық турғыдан қарағанда диодтың біржақтылық (вентильдік) вольтамперлік сипаттамасы 1.5,ә-суреттегідей болуы керек: егер де анод пен катод арасындағы кернеу оң болса, ток шексіздікке, ал теріс болса, нөлге үмтылады, яғни

U_а > 0 болса, онда I —→∞;

ал егер

U_а ≤ 0 болса, онда I = 0.

Жартылай өткізгіштік диодтардың (бұдан былай - диод) көпшілігінің негізі, 1940 жьлдары өмірге келгеи, р-п ауысуы болып табылады. Енді осы ауысуда өтетін физикалық, процестерге тоқталып өтелік.

р-п ауысуындяғы физикалық процестер

р-п ауысуы р және п жартылай өткізгіштерінің өзара қосылуымен пайда болада. Жеке алғанда р жартылай өткізгіші болсын, п жартылай өткізгіші болсын, электр зарядтары жағынан өзара бейтарап келеді (1.6.а,ә-суреттер). Мысалы, 1.6,а-суретте көрсетілген р жартылай өткізгішінің оң зарядталған кемтіктері толығымен теріс акцептор иондарымен бейтараптанған. Осы оң зарядталған кемтіктерді жекеше бөліп алған жағдайда, олардың орнында қозғалмайтын теріс акцептор иондары қалар еді. Осыған сәйкес п жартылай өткізгішінен жылжымалы электрондар кететін болса, олардың орнында қозғалмайтын оң зарядты донор иондары қалады (1.6,ә-сурет). Осындай бейтарап жартылай өткізгіштерді өзара түйістірген кезде, ондағы жылжымалы заряд бөлшектері бір-біріне ауыса түсіп (қысымы үлкен-ауаның қысымы аз жаққа ауысқаны секілді), диффузия тогын тудырып, түйіспе маңында жылжымайтын қоспа иондарын қалдырады (1.6,б-сурег).

Суреттен көріп отырғанымыздай, оң зарядтар оң жақта, ал теріс зарядтар сол жақта (жылжитыны бар, жылжымайтыны бар) жиналып, конденсатор қүрылысына үқсас қурылым туғызады. Зарядтардың бұлай іркіле жиналуы ішкі электр өрісін Е_i, туғызады да, ол жылжымалы зарадтарды кері айдайды. Осыдан пайда болған ток дрейф тогы деп аталады. Егер сырттан кернеу түсірілмейтін болса, онда дрейф ток мен диффузия ток тепе-тендікте болып, жалпы ток нөлге тең болада, бұл 1.6,б-суреттің төменгі бөлігінде көрсетілгендей. Жалпы алғанда, р-п ауысуы жылжымалы зарядтарынан айрылған, қозғалыссыз иондардан тұратын орталық бөлік. Оның ұзындығы 1.6,б-суреттің жоғарғы бөлігінде көрсетілгендей l_рп-ге тең болады. Зарядтардың екі жаққа бөліне жиналуынан потенциалдар айырымы туады. Оның диаграммасы 1.6,в-суретте көрсетілген. Потенциалдар айырымы φ_к-ге тең де, туйісу потенциалдар айырымы немесе биіктігі деп аталады. Потенциал диаграммасы кішігірім асуға ұқсас келеді де, оның биіктігі негізгі заряд бөлшектерінің диффузиялық қозғалысына тосқауыл ретінде әсер етеді. Сондықтан да р-п түйісуін р-п асуы деп атаса да болатын сияқты.

Эквиваленттік үқсастыққа жүгінетін болсақ, диффузия қозғалысы металл шариктерінің екпінді қозғалысына ұқсас, ал потенциал өзгерісі кәдімгі биік асуға пара-пар: асу неғүрлым биік болып, ал металл шаригінің (электронның, кемтіктің) кинетикалық энергиясы неғүрлым төмен болса, соғүрлым оның екінші бетке өту мүмкіндігі аз болады. Қорыта айтқанда, негізгі заряд тасушыларының диффузиялық ток қуру мүмкіндігі потенцнал асуының биіктігіне тікелей байланысты,

Енді жоғарыда көрсетілген р-п ауысуын ток көзіне қосып көрелік. Ток көзінің оң полюсін п жартылай өткізгішіне, ал сол полюсін р жартылай өткізгішіне жалғайық (1.7,а-сурет). Суретте бастапқы кернеу жоқ кездегі р-п ауысуының ұзындығы мен потенциал биіктігі үзікті сызықпен, ал кернеу түсірілгеннен кейінгі шамалары тұтас сызықпен шектелген. Сырттан түсірілген кернеудің әсерінен р аймағындағы кемтіктер ток көзінің сол жақ полюсіне тартылып, өз орындарында қосымша теріс акцептгор иондарын қалдырады. Осыған орай п аймағында донор иондары пайда болып, р-п ауысуы кеңіп, үзындығы арта түседі. Потенциал асуының биіктігі сырттан түсірілген кернеу шамасына (U) артып, негізгі заряд тасушыларының диффузиялық қозғалысын одан сайын қиындата түседі. Жоғарыда келтірілген физикалы, үқсастыққа жүгінсек, асудың, биіктігі артып, металл шаригінің биікке шығу қабілеті төмендеп, ол тіпті осындай мүмкіндіктен біржолата айырылу мүмкіндігіне дейін жақындайды (суретте кері қайтқан жебемен көрсетілген). Ал осындай жағдайда ток болуы мүмкін бе? Ток бола қалса, оның шамасы қандай? Бүл сұраққа былай жауап беруге болады: ток бар, бірақ оның шамасы жоқтың қасы. Өйткені сырттан түсірілгсн кері кернеу ішкі электр өрісін (Е_i) өрістете түскенімен (1.7,а-суреттегі потенциал асуының биіктігі (φ_к +U), ток тудыратын бөлішектердің жоқтығынан, оның шамасын өзгерте қоймайды. Өзіңіз ойлап қараңызшы! Қаралып отырған жағдайда ток қалай пайда болуы мүмкін? Ол тек п аймағындағы кемтіктерден немесе р аймағындағы электрондардан ғана (1.7,а-суретте доғалық жебелермен көрсетілген), яғни тек негізгі емес заряд тасушыларынан тууы мүмкін. Ал бүл заряд тасушыларының саны өте аз екендігі айдан анық. Олай болса, токтың шамасы да жоқтың қасында. Сондықтан да жоғарыда келтірілген кернеудің қосылу бағыты, р-п ауысуыныц кері бағытта қосылуы деп аталады.

Кернеудің, түсу бағытын қарама-қарсыға ауыстыратын болсак, (+ - р аймағына, - - п аймағына), р-п ауысуының тура бағытта қосылуын аламыз. 1.7,ә-суретте көрсетілгендей, бұл қосылу негізгі заряд тасушыларының диффузиялық қозғалысына сәйкес келеді. Ал негізгі заряд тасушыларының негізгі емес заряд тасушыларыша қарағанда әлдеқайда көп екендігін ескерсек (мысалы, р аймағындағы негізгі заряд тасушылар - кемтіктер саны р_р =10¹⁷ см^-3 ал негізгі емес заряд тасушылар - электрондар саны п_п =10¹⁰ см^-3 сонда кемтіктер саны р_р/п_п=10¹⁷/10¹⁰ =10⁷ есе артық), тұра қосылу тогының сан мәні кері қосылу тогынан әлдеқайда артық болады. Сондықган р-п ауысуы тура қосылуда тек шамасын тежемейді деп есептейміз.

Сонымен, қорытындылай келгенде, р-п ауысуы кері қосылуда ток өткізбейді де, ал тура қосылуда токқа кедергі жасамайды.

Идеалдық түрғыдан қарағандағы вентильдің біржақты өткізгіштік сипаттамасың біз 1.5,ә-суретте көрсеткен едік. Ал енді р-п аусыуының нақты вольтамперлік сипаттамасы экспонента заңына бағынып, 1.5,б-суреттегідей болады.

Диодтың жасалу әдістері мен сипаттамалары

Жартылай өткізгіштік диод р-п ауысуынан немесе Шотки түйіспесінен түрады. Жасалу негізі балқыту немесе диффузия технологиясына негізделген. Балқыту технологиясы бойынша жартылай өткізгіш бетіндегі қоспа балқытылып, ыстық вакуум пешінің ішінде р-п ауысуын қүрады (1.8,а-сурет). Осы алынган ауысуды ауасы жоқ корпус ішіне орналастырып, екі жағынан анод пен катод электродтарын шығаратын болсақ, диодымыз дайын болы деп есептеуге болады (1.8,б-сурет).

Жалпы жасалынған р-п ауысуын корпус ішіне орналастырмаса да болады. Мұндай корпуссыз диодтар интегралдық схемаларда жиі қолданылады. Диодтар әртүрлі корпустарда орналасуы мүмкін. Олардың өндірісте жиі тараған түрлері 1.9-суретте көрсетіліп отыр.

1.9-сурет. Диодтардың турлері: а - өте жоғары жиіліктік детекторлық диод;

ә - жоғары жиілктік аз қуатты импульстік диод; б, в - орташа қуатты

импульстік диодтар; ғ - орташа қуатты стабилирон; г - жоғары

қуатты вентиль(диод)

Диодтың вольтамперлік сипатгамасы р-п ауысуының жоғарыда (1.5,б-сурет) келтірілген сипаттамасына ұқсас келеді. Дегенмен де олардың айырмашылықтары да бар. Мысалы, егер біз р-п ауысуындағы р және п бөліктерінің меншікті кедергілерін ескеретін болсак., онда р-п ауысуының тура қосылу кезінде кернеудің, түсуі бүрынғыдан да арта түсер еді. Бүл өзгеріс 1.10-суретгің I шаршымасында көрсетілген. Көріп отырғанымыздай, диодтағы кернеудің түсуі база кедергісі (r_б) мен р-п ауысуындағы кернеулердің қосындысына тең. (База деп диодтың қоспасы аз (кедергісі жоғары) бөлігін (әрдайым бұл п аймағы) айтады.)

р-п ауысуының кері қосылуына келетін болсақ (III шаршыма), мүндағы өзгеріс одан да күшті. Біріншіден, р-п ауысуын диод ретінде пайда-ланғанда, ол тек белгілі бір кернеу шамасына ғана төтеп беріп, одан ары электрлік жөне жылулық тесіп өтуге үшырауы мүмкін.

Электрлік тесіп өту кезінде (1.10-суретте 1-2 нүктелер аралығы) ток мәнінің елеулі өзгеруіне қарамастан кернеу шамасы түрақты қалады. Бүл қүбылыс өндірісте кернеуді түрақтандыруға пайдаланылып, ал диод кремнийлік стабилитрон (негізінен Sі-ден жасалынатын болғандықтан) деп аталады. Дегенмен, токтың шамасы тежеусіз өсе беретін болса, электрлік тесіп өту жылулық тесіп өтуге ауысып (токтың есерінен жылудың көп бөлінуіне байланысты), электрондық аспап толық істен шығуы мүмкін (сипаттамада 2-3 нүктелер аралығы).

Сонымен диодтың негізгі сипаттамасы оның 1.10-суретте келтірілген вольтамперлік сипатгамасы! болып табылады. Ал оның температураға байланысты тәуелділігін зерттейтін болсақ, оны жартылай өткізгіш кедергісінің өзгерісіне байланысты анықтауға бодады. Жартылай өткізгіш кедергісінің температура өскен сайын төмендей түсетінін ескере отырып, диодтың қай қосулуында болмасын (тура, кері) токтың да өсе түсетінін білеміз. Осы өзгеріс едәуір шамаға жетіп, өмірде жартылай өткізгіштік электрондық аспаптардың ең бір басты кемшілігі - температуралық турақсыздыққа екеп соқтырады.