Интегрирующие цепи.

Интегрирующей называют цепь, у которой выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения:

u_вых = a∫u_вхdt. (6.10)

Отличие схемы интегрирующей цепи (рис. 6.5, а) от схемы дифференцирующей цепи состоит в том, что выходное напряжение снимается с конденсатора. При­меняются интегрирующие цепи чаще всего для получения линейно изменяющихся (пилообразных) напряжений.

Напряжение на выходе интегрирующей цепи опре­деляется известным равенством

К огда напряжение на конденсаторе С незначительно по сравнению с падением напряжения на резисторе R, т.е. u_вых = u_C << u_R то ток i в цепи пропорционален входному напряжению, которое прикладывается по всей цепи. Поэтому i = u_вых /R и

(6.11)

что соответствует равенству (6.10). Очевидно, что условие интегрирования будет выполнено при R >> 1/ С (RC >> 1/ ) для синусоидального сигнала и при RC >> t_и.вх для импульсного сигнала

Рассмотрим физические процессы в интегрирующей цепи при воздействии на ее вход периодической последовательности импульсов прямоугольной формы (рис. 6.5, б). При выполнении условия интегрирования ( >>t_и._вх) в момент поступления импульса (t = t₁) на вход цепи все входное напряжение оказывается приложенным к резистору, а напряжение на конденсаторе равно нулю. Далее в период времени t₁-t₂ происходит медленный заряд конденсатора по закону (6.3) и напря­жение на нем медленно возрастает. К моменту окончания входного импульса (t = t₂) напряжение на кон­денсаторе не успевает достигнуть значения напряжения U_т. После окончания входного импульса конденсатор так же медленно разряжается. Таким образом, на емкостном выходе цепи будут выделяться растянутые импульсы, имеющие форму экспоненциальной пилы.

Устройство и принцип работы одновибратора

Одновибратором называется электронное устройство, которое при воздействии на его вход короткого запускающего импульса вырабатывает на выходе импульс прямоугольной формы заданной длительности. Другими словами, запускающий импульс «включает» одновибратор, который затем, по истечении определенного времени, автоматически «выключается» сам. В связи с этим одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

В исходном установившемся состоянии (рис. 61) ток через конденсатор С1 не протекает, поэтому транзистор VT2 базовым током 1_б2 будет полностью открыт, a VT1 заперт. На диаграмме это состояние соответствует интервалу времени 0 — t₁. Малое остаточное падение напряжения между эмиттером и коллектором открытого (насыщенного) транзистора VT2 обозначено через U⁰. Это напряжение называется напряжением логического нуля; оно подается на выход­ной зажим схемы и одновременно через резистор R4 на базу транзи­стора VT1, запирая его.

Конденсатор С1 в исходном состоянии заряжен до напряжения, близкого по значению к напряжению питания U_п, которое называют напряжением логической единицы и обозначают через U¹.

Предположим, что в момент t₁ на входные зажимы схемы и на базу транзистора VT1 кратковременно поступает импульс напряже­ния с амплитудой U¹ (см. диаграмму на рис. 61). Транзистор VT1 от­пирается и соединяет левую обкладку конденсатора С1 с эмиттером VT2. Потенциал база — эмиттер транзистора VT2 скачком изменя­ется до отрицательного напряжения логической единицы. Транзис­тор VT2 запирается и через резисторы R5 и R4 поддерживает тран­зистор VT1 в открытом состоянии, даже если входное напряжение станет равным нулю, т. е. в момент времени t₁ напряжение на выходе схемы скачком изменяется до напряжения логической единицы U¹ и за счет положительной обратной связи поддерживается на этом уровне.

Рис. 61. Электрическая схема и временная диаграмма работы одновибратора

С момента времени t₁ конденсатор C1, подключенный через ре­зистор R3 к зажиму +U_п начинает перезаряжаться. Потенциал базы транзистора VT2 также будет линейно изменяться во времени. Транзистор VT2 будет заперт до тех пор, пока потенциал базы VT2 не достигнет напряжения, приблизительно равного U⁰. По истече­нии этого периода транзистор VT2 откроется и схема опрокинется в исходное состояние. Длительность выходного импульса, равная времени перезарядки конденсатора C1, t_и 0,7 C1R3.

Отметим одну существенную особенность работы транзисторов VT1 и VT2 в схеме одновибратора. Транзисторы при работе устрой­ства или полностью открыты, или полностью закрыты. Переход из одного состояния в другое происходит скачком. Такой режим рабо­ты транзистора называется ключевым; схемы, в которых транзистор используется в режиме ключа, положены в основу всех современных цифровых вычислительных устройств и управляющих машин.

Схема транзисторного ключа очень проста. Здесь всего 1 транзистор и 2 резистора – базовый R1 и коллекторный R2. При отсутствии сигнала Ивх UK=U¹ _П, ток базы I_б = 0, ток коллектора I_к 0. Режим отсечки реализуется при отрицательных и близких к нулю потенциалах на базе транзистора. Другое состояние определяется точкой С и называется режимом насыщения. Он реализуется при положительных потенциалах на базе. При этом базовый переход смещен в прямом направлении, его сопротивление мало и ток базы I_б U_вх/R1. Коллекторный переход транзистора характеризуется малым остаточным напряжением U_K=U⁰ , а ток коллектора максимален: Iк U_П/R2. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, при его работе в режиме ключа невелика, так как в режиме отсечки близок к нулю ток коллектора, а в режиме насыщения – напряжение. В обоих случаях P_k, равная U_kI_k оказывается близкой к нулю.

Схемы с транзисторными ключами стараются составлять таким образом, чтобы переход транзистора из одного состояния в другое проходил за минимально возможное время. Иначе говоря, длительность фронта t_Ф и длительность среза t_c импульса переключения транзистора (см. рис. 60) должны быть как можно меньше. Это обеспечивает дополнительную экономию и уменьшение потерь энергиив самом транзисторном ключе. (Примерно так же поступают при конструировании обычных бытовых выключателей. С одной стороны, сопротивление контактов стараются делать по возможности малым, чтобы исключить нагрев самого выключателя при включенном состоянии прибора – электроплитки, утюга, лампочки и т.д. С другой стороны, за счет специальной конструкции и наличия пружин процесс включения и выключения электроприбора осуществляется «щелчком»; что уменьшает время переключения.)

Такой ключ называют инвертором (рис. 63). Повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора) и наоборот.

Мультивибратор.

Если в схеме одновибратора, приведенной на рис. 61, резистор обратной связи R4 заменить на конденсатор, а резистор входной цепи R2 замкнуть свободным концом на шину питания «+U_П», то полученная таким образом схема (рис. 64) в отличие от одновибратора будет обладать уже двумя стабильными состояниями. Для того чтобы подчеркнуть это свойство схемы, ее назвали мультивибратором. Каждое стабильное состояние мультивибратора сохраняется в течение строго определенного интервала времени. Мультивибратор постоянно переключается из одного устойчивого состояния в другое, генерируя на своих выходах Вых.1 и Вых.2 периодические импульсы прямоугольной формы. Период колебаний Т и длительность каждого из двух устойчивых состояний t₁ и t₂ определяют следующим образом:

t₁ 0,7R3C2; t₂ 0,7R2C1; T = t₁ + t₂. Если резисторы и конденсаторы в каждом плече схемы мультивибратора выбраны одинаковыми (R2 = R3, C1 = С2 и R1 = R4), то длительности импульсов t₁ и t₂ равны и мультивибратор носит название симметричного.

Как правило, период Т мультивибраторов на биполярных транзисторах выбирают таким образом, чтобы частота повторения импульсов f = 1/Т лежала бы в пределах от 100 Гц до 10 кГц.

Специальные типы полупроводниковых диодов

Фотодиоды, светодиоды и светодиодные индикаторы, диодные оптроны

Фотодиоды. Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-n-переходом, в котором специальным подбором химического состава исходных материалов добиваются высокой чувствительности к воздействию светового потока. В отсутствие света фотодиод и обычный выпрямительный полупроводниковый диод не отличаются по своим физическим свойствам и имеют сходные вольтамперные характеристики. При воздействии света по обе стороны р-n-перехода возникают пары свободных носителей зарядов - электронов и дырок, на выводах фотодиода появляется разность потенциалов порядка 0,4 В. При подключении к выводам фотодиода внешней нагрузки (рис. 12, а) в ее цепи возникает электрический ток. Плотность этого тока невелика и составляет всего 5-15 мА/см² рабочей поверхности фотодиода. Такой режим работы фотодиода называется вентильным и используется для непосредственного преобразования в солнечных батареях световой энергии Солнца в электрическую.

В устройствах автоматики фотодиоды работают с внешним источником питания (рис. 12, б) при обратном напряжении на р-n-переходе. Такой режим называется фотодиодным. Фотодиод, включенный в электрическую цепь в непроводящем направлении, ведет себя как резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности освещения. С увеличением яркости светового потока обратное сопротивление р-n-перехода уменьшается, и ток в нагрузке R_H возрастает. Основными параметрами фотодиода в этом режиме являются: интегральная токовая чувствительность S_Инт — отношение фототока к вызвавшему его потоку излучения; темновой ток I_T— ток фотодиода при отсутствии освещения; рабочее напряжение питания Up - напряжение, рекомендуемое для надежной работы диода; максимально допустимое напряжение U_max - напря­жение, при превышении которого может произойти разрушение фотодиода; - диапазон рабочих температур.

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые фотодиоды. Интегральная чувствительность германиевых фотодиодов имеет порядок 10—20 мА/лм. У кремниевых она в несколько раз меньше. Однако кремниевые фотодиоды отличаются лучшей стабильностью параметров, значительно меньшей величиной темнового тока и способны работать в широком диапазоне температуры. Например, типовой кремниевый фотодиод ФД265 имеет следующие параметры: I_T 10^-4 мА при U_P = (4±1) В; Sинт 3,75 мА/лм; U_max = 20 В, = (-60 + +85)° С. Конструктивное оформление диода приведено на рис. 13, где 1 — фокусирующая линза; 2 — кристалл полупроводника; 3 — кристаллодержатель; 4 — корпус; 5 — изолирующее основание; б — внешний вывод. Линза l предназначена для фокусировки светового потока на кристалле полупроводника.

Светодиоды и светодиодные индикаторы. В отличие от фотодиода светодиод сам излучает свет при протекании через него прямого тока (прямая ветвь вольт-амперной характеристики). При включении светодиода в непроводящем направлении (обратная ветвь) ток через светодиод не протекает и его свечение отсутствует. В зависимости от химического состава материала полупроводника светодиоды излучают свечение красного, оранжевого, желтого или зеленого цвета. Кроме того, изготавливаются светодиоды с переменным цветом свечения. Они имеют два р-n-перехода с разным цветом свечения. Общий цвет зависит от соотношения токов, протекающих через эти переходы. Конструктивно светодиоды оформлены в виде бусин, миниатюрных лампочек, прозрачных колпачков, которые светятся при протекании через них тока. Основными параметрами светодиода являются: сила света I_v — световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла; цвет свечения; постоянное прямое напряжение U_ПР — значение напряжения на светодиоде при протекании прямого тока; максимально допустимые обратное напряжение U_ОБР.MAX и постоянный прямой ток Iпр.мах; диапазон рабочих температур Т

Основные параметры некоторых типов светодиодов, выпускаемых серийно, приведены в табл. 3.

Н а рис. 14 приведены одна из возможных схем включения светодиода и примерный вид конструктивного оформления. Диод VD1 не является принципиально необходимым и выполняет лишь защитную функцию, предотвращая попадание на светодиод VD2 выбросов обратного напряжения источника Uп.

Кроме светодиодов, используемых в качестве точечных источников видимого света, выпускают цифровые, знаковые, линейные и матричные светодиодные индикаторы. Цифровые и знаковые индикаторы могут быть одно- и многоразрядными. Одноразрядный индикатор (рис. 15,а) позволяет высвечивать арабские цифры от 0

до 9, десятичную запятую и отдельные буквы русского алфавита А, Б, Г, Е, 3, О, П, Р, С, У, Ч. Высота знака определяется типом индикатора и заключена в пределах от 2,5 до 25 мм. Многоразрядные индикаторы (3-5, 7, 9 и 16 разрядов) отображают целый ряд горизонтально расположенных чисел или цифро-буквенных сочетаний (рис. 15,6). Все цифры или буквы составляются из семи линейных элементов, каждый из которых представляет собой отдельный светодиод.

Л инейный индикатор высвечивает изображение в виде пяти параллельных линий. Цвет свечения - красный или зеленый. Матричный (буквенно-цифровой) индикатор (рис. 15, в) имеет индикационное поле, состоящее из дискретных светящихся точек. Точек может быть или 35 (5x7) или 100 (10x10). Подавая напряжение на определенные точки, получают изображение какой-либо цифры или графического знака, например, знака суммы .

Основными параметрами большинства светодиодных индикаторов, как и обычных светодиодов, являются сила света, цвет свечения, постоянное прямое напряжение, максимально допустимый прямой ток, диапазон рабочих температур.

Диодные оптроны. Светодиод, конструктивно объединенный с фотодиодом, образует так называемую оптронную пару, или просто оптрон (рис. 16). Передача сигнала в оптроне осуществляется лучами света, поэтому входная (1-4) и выходная (2-3) цепи оптрона практически полностью изолированы друг от друга. Это свойство оптронов используется в устройствах автоматики во всех тех случаях, когда электрическая связь между различными частями их схемы нежелательна (например, на электровозах для изоляции низковольтных измерительных устройств от высоковольтных элементов). Промышленностью выпускаются оптроны в круглых металлостеклянных корпусах, в пластмассовых корпусах и в бескорпусном исполнении. В последнем случае оптрон (например, типа АОД201А) представляет собой миниатюрную непрозрачную таблетку размерами 2x2x1 мм, снабженную четырьмя гибкими выводами.

Стабилитроны

Стабилитроны (их называют еще опорными диодами) представляют собой полупроводниковый диод с р-n-переходом, в котором специальным подбором исходных материалов добиваются высокого постоянства падения напряжения независимо от значений протекающего через него обратного тока. На рис. 17 приведена вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона типа 2С162А, предназначенного для формирования опорного напряжения (6,2±0,3) В. Прямая ветвь вольт-ампер ной характеристики имеет такой же вид, как и у обычных выпрямительных кремниевых диодов, а обратная ветвь отличается наличием резкого излома в точке с напряжением U_CТ Это напряжение называется номинальным напряжением стабилизации. Оно остается практически постоянным на рабочем участке вольт-амперной характеристики при изменении обратного тока от I_MIN до I_MAX. Для стабилитрона типа 2С162А эти токи соответственно равны 3 и 22 мА.

Промышленностью выпускается широкий ассортимент стабилитронов с номинальным напряжением стабилизации от 3,3 до 180 В (с шагом примерно 10 %), различающихся величиной допуска ∆Ucт на разброс Ucт, температурной нестабильностью этого параметра ст, допустимой мощностью Рмах, рассеиваемой в стабилитроне, динамическим сопротивлением Rдин (т.е. наклоном рабочего участка вольт-амперной характеристики), конструктивным исполнением, диапазоном рабочих температур T. Эти и некоторые до­полнительные параметры стабилитронов приводятся в справочных данных.

Конструктивное оформление стабилитронов мало отличается от оформления выпрямительных диодов. Стабилитроны малой мощности от 20 до 300 мВт выпускаются в круглых пластмассовых или металлических корпусах диаметром 5-10 мм и длиной около 12-25 мм. Выпускаются стабилитроны и в бескорпусном оформлении в виде пластмассовых таблеток с поперечными размерами не более 2 мм (например, стабилитрон типа КС164М). Стабилитроны средней мощности свыше 300 мВт и до 5 Вт оформлены в металлических или пластмассовых корпусах с гибкими или жесткими выводами. В последнем случае анодный вывод стабилитрона имеет резьбу, что позволяет осуществлять его надежный монтаж на охлаждающем радиаторе. Все стабилитроны большой мощности, равной 8 Вт, имеют жесткие выводы для установки на радиаторе.

Основные технические характеристики некоторых типов стабилитронов приведены в табл. 4.

н

Для получения стабильного напряжения на зажимах некоторого сопротивления нагрузки R_Н стабилитрон включают так, как показано на рис. 18. Резистор R1 cлужит для ограничения тока, протекающего через стабилитрон VD1. При увеличении входного напряжения от своего минимального значения до максимального ток в стабилитронe I_CT также увеличивается, однако за счет действия резисторa R1 удерживается в допустимых пределах от Imin до Imax. При этом на стабилитроне устанавливается номинальное напряжение стабилизации U_CT которое почти не возрастает. В нагрузке R_Н протекает ток I_H= U_СТ/ R_Н также практически неизменной величины. Порядок пользования справочными данными покажем на примере расчета простейшего стабилизатора напряжения, приведенного на рис. 18.

Пример. Пусть электронное устройство требуется обеспечить стабильным напряжением питания, номинальная величина которого равна U_СТ = (15 ± 1) В. Ток, потребляемый устройством, I_Н = 15мА. При этом напряжение первичного источника U_П, которым является локомотивная батарея, равно (70 ± 20) В, т. е. изменяется от U_Пmin - 50В до U_Пmax - 90 В.

Расчет стабилизатора проводят в следующей последовательности. Вначале определяют максимально необходимый обратный ток стабилитрона:

(1)

Затем проверяют, удовлетворяет ли полученное значение этого тока не­равенству

I_Д < I_MAX, (2)

после чего находят величину ограничительного сопротивления R1:

R1 = (U_{П. MAX} – U_{П. MIN})/(I_Д – I_MIN). (3)

Выбираем стабилитрон типа КС515Г со следующими параметрами, при­веденными в табл. 4:

U_СТ= 15 ± 0,05·15= (15 ± 0,75) В; R_ДИН  25 Ом;

_СТ= 0,005 %/°С; I_MIN = ЗмА; I_MAX = 31 мА.

Пользуясь выражением (1), находим величину I_Д:

Убеждаемся, что условие (2) удовлетворяется, так как 24 < 31. В соответствии с выражением (3) находим R1:

R1 = (90 — 50)/[(24—3) 10^-3] =1,95-10³  2 кОм.

Нетрудно подсчитать, что при этом сопротивлении резистора и минимальном напряжении питания ток, протекающий через стабилитрон, равен 3 мА. Тогда при изменении напряжения питания с 50 до 90. В изменение напряже­ния на электронном устройстве по отношению к номинальному

Термостабильность выходного напряжения определим при условии, что окружающая температура может изменяться от –10 до +50°С. Отсюда не­стабильность ∆U_СТ.Т напряжения на нагрузке, обусловленная изменением температуры на величину ∆T = 50–(–10) = 60°С (по отношению к номинальной температуре, равной 20°С),

Таким образом, суммарная нестабильность выходного напряжения рассматриваемого стабилизатора

∆U_СТ = ∆U_СТ.ПИТ + ∆U_СТ.Т = ±0,28В.

Отсюда следует, что относительная нестабильность выходного напряжения не превышает

Отметим, что относительная нестабильность исходного напряжения питания значительно выше:

Таким образом, рассмотренный стабилизатор напряжения при указанном изменении внешней температуры более чем в 14 раз повышает стабильность напряжения на нагрузке по сравнению со стабильностью исходного напряжения питания.

ТИРИСТОРЫ

Волып-амперная характеристика и параметры тиристора

Тиристоры (или более полно - триодные тиристоры) представляют собой полупроводниковые выпрямительные элементы, способные под действием прямого приложенного напряжения переключаться из одного устойчивого состояния в другое. Они предназначены для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. От других полупроводниковых элементов, которые также могут использоваться в качестве бесконтактных коммутаторов, тиристоры отличаются чрезвычайно высоким быстродействием (оно исчисляется всего десятками микросекунд) и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (вплоть до 1000 А). Тиристоры оформлены так же, как и обычные выпрямительные диоды. Однако они снабжены не двумя, а тремя выводами. Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

На вольт-амперной характеристике тиристора (рис. 22) можно выделить пять характерных участков 1-5. Участки 1-3 составляют прямую ветвь, а 4 и 5 - обратную. Сравнение обратных ветвей вольт-амперных характеристик тиристора и выпрямительного диода показывает, что они ничем не отличаются. Если к тиристору приложено обратное напряжение, не превосходящее допустимое значение U_06P max, тиристор оказывается запертым и ток через него практически не протекает. Это соответствует рабочему участку 4 обратной ветви, которая, так же как и у выпрямительных диодов, характеризуется весьма малым обратном током I_обр. Участок 5 не является рабочим и лежит в области недопустимых значений обратного напряжения, при которых тиристор разрушается вследствие развития пробойных явлений.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики тиристора принципиально отличается от прямой ветви вольт-амперной характеристики диода. При переходе от обратного напряжения к прямому, когда на анод А тиристора подается положительный потенциал, а на катод К. — отрицательный, тиристор продолжает оставаться запертым (участок 1). Незначительный прямой ток, который при этом протекает через запертый тиристор, обозначают I_зкр. Значение этого тока примерно равно значению обратного тока I_0бР. При дальнейшем увеличении прямого напряжения U_лр (до значения Uпp. о) тиристор по-прежнему остается запертым. Если при этом ток I_y через управляющий электрод равен нулю, то только при достижении прямым напряжением значения Uпp.o тиристор отпирается: сопротивление и падение напряжения между анодом и катодом резко уменьшаются, а прямой ток возрастает в тысячи раз, практически ограничиваясь лишь сопротивлением внешней цепи (участок 3 вольт-амперной характеристики). Переключение происходит практически мгновенно, занимая 5—40 мкс. На рис. 22 характеристика переключения условно изображена штриховой линией 2.

П ри приложенном к управляющему электроду внешнем напряжении и при протекании через этот электрод тока Iy₁ в направлении, указанном на рис. 22, прямое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние, уменьшается до значения Uпр 1. Если управляющий ток увеличить еще больше, например, до значения Iy₂, то напряжение переключения, в свою очередь, уменьшится еще больше до значения Uпр 2 и т.д. При некотором значении управляющего тока /_уз прямая ветвь вольт-амперной характеристики тиристора перестает содержать свойственные ей участки У и 2 и состоит лишь из одного участка 3, превращаясь в прямую ветвь вольт-амперной характеристики выпрямительного диода. Таким образом, тиристор подобен управляемому переключателю, в котором напряжение переключения изменяют с помощью управляющего тока.

Открытый тиристор теряет способность закрываться по управляющему электроду, и восстановить его запирающие свойства можно одним единственным образом - снизив прямое напряжение до нуля или кратковременно подав на него небольшое обратное напряжение. В зависимости от конкретного типа тиристора процесс его выключения длится всего 25-250 мкс, т.е. происходит практически мгновенно.

Из рассмотренной вольт-амперной характеристики тиристора видно, что она может быть задана следующими электрическими параметрами I_пр max — предельно допустимый постоянный или средний за период прямой ток; U_пр. ₀, U_0бР._max - соответственно предельно допустимое прямое и обратное напряжение; I_зкр, I_oбР - соответственно прямой и обратный ток утечки запертого тиристора; I_{с п}, U_{c п} — ток и напряжение спрямления, т.е. ток и напряжение управляющего электрода при напряжении, при котором происходит отпирание тиристора (примерно 10 В).

Эти параметры являются справочными и наряду с некоторыми другими

(длительность включения и выключения тиристора, мощность, диапазон рабочих температур, масса, размеры и т.п.) приво­дятся в паспортных данных тиристоров.