Выводы по лекции

Городские потребители питаются посредством распределительных сетей напряжением 6-10 кВ и 0,38 кВ. При разработке системы электроснабжения микрорайона города определяются расчетные нагрузки района, выбираются место расположения, мощность и тип трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ, схема распределительной сети 380 В и сети 10 кВ, оценивается величина напряжения на электроприемниках. В целях электробезопасности здания и сооружения должны иметь защитное заземление и молниезащиту.

Вопросы для самопроверки

1 Какие основные задачи решаются при разработке системы электроснабжения микрорайона города?

2 Как определяются места расположения трансформаторных подстанций на план-схеме микрорайона города?

3 Назовите и охарактеризуйте типовые схемы, используемые для электроснабжения населенных мест и городов.

4 В чем отличие встречной магистрали от двойной?

5 Назовите достоинства и недостатки типовых схем электроснабжения города.

6 Дайте определение понятию электробезопасность.

7 Охарактеризуйте воздействие различной величины тока на организм человека.

8 Что означают и сколько существует групп допуска по электробезопасности?

9 Что такое изоляция в электроустановках и какие факторы влияют на ее состояние?

10 Что такое заземление? Какое бывает? В чем заключается механизм защиты защитного заземления?

11 Приведите классификацию систем заземления электрических сетей.

12 Какая система заземления используется в настоящее время во вновь строящихся жилых домах?

13 Что представляет собой основная и дополнительная система уравнивания потенциалов в жилом доме?

14 Опишите назначение, конструкцию молниезащиты и контура заземления используемых в зданиях и сооружениях.

Раздел 2. Электроника.

Тема 5. Основы электроники и электроизмерений. Лекция 10. Основы электроники и электроизмерений

План лекции.

1. Элементная база современных электронных устройств.

2. Электрические измерения.

1. Элементная база современных электронных устройств.

Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации.

Электронная аппаратура – это совокупность электронных элементов, несущих конструкций и монтажных соединений, объединенных в общую конструкцию или комплекс.

Элементы по своему назначению подразделяют на пассивные и активные.

К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, переключатели, реле и др.

К активным компонентам относятся приборы на базе -переходов, МОП-структур, вторичные источники питания.

Резисторы – это наиболее распространенные элементы электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

Условные графические обозначения (УГО) резисторов на принципиальных электрических схемах приведены на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1 – Условные графические обозначения резисторов:

а – постоянный 0,125 Вт; б – переменный; в – подстроечный

На рисунке 10.2 приведена зависимость сопротивления терморезистора от температуры и его УГО на принципиальных электрических схемах.

Рисунок 10.2 – Зависимость сопротивления терморезистора от температуры (а) и УГО (б) терморезистора

Конденсаторы по применению в электронной аппаратуре занимают второе место после резисторов. Принцип работы конденсаторов основан на их способности накапливать электрический заряд на обкладках при приложении к ним разности потенциалов.

На рисунке 10.3 показаны условные графические изображения конденсаторов различного назначения.

Рисунке 10.3 – Условные графические обозначения конденсаторов различного назначения: а – постоянной емкости; б – поляризованный; в – переносной емкости; г – подстроечный электролитический; д – поляризованный; е – неполяризованный

Катушками индуктивности называют элементы аппаратуры, способные запасать энергию электромагнитного поля.

На рисунке 10.4 приведены условные графические обозначения элементов на базе катушек индуктивностей с буквенными обозначениями.

Рисунок 10.4 – Условные графические обозначения: а – катушки индуктивности без сердечника; б – катушки индуктивности с сердечником (дросселя); в – трансформатора; г – электромагнитного реле

Для преобразования электрических сигналов недостаточно использования в цепях пассивных линейных элементов. Для этих цепей в электронике широко применяются различные активные элементы, обладающие необходимыми нелинейными характеристиками. В качестве таких элементов используют полупроводниковые приборы, работа большинства которых основана на свойствах -перехода (электронно-дырочного перехода).

Электронно-дырочным переходом (ЭДП) называют область, возникающую на границе раздела полупроводников - и -типа. ЭДП можно получить вплавлением (резкий переход) или диффузией (плавный переход) в полупроводниковый монокристалл примесей, создающих тип проводимости, противоположный типу проводимости исходного монокристалла.

При прямом смещении (положительный потенциал приложен к p-области) потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается. Основные носители заряда пересекают ЭДП, образуя прямой ток через переход, который может достигать значительной величины. Этот процесс называют инжекцией носителей. Инжектированные носители заряда диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с носителями заряда, приходящими из внешней цепи.

На рисунке 10.5 приведена вольт-амперная характеристика ЭДП, на которой различают прямую ветвь (1-й квадрант) и обратную ветвь (3-й квадрант).

Рисунок 10.5 – Вольт-амперная характеристика ЭДП: – напряжение пробоя; – обратный ток перехода

Увеличение обратного напряжения может привести к пробою p-n-перехода. Под пробоем понимают явление резкого возрастания тока через переход, вызванное увеличением числа подвижных носителей заряда в этой области. Различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой. В первом случае увеличение числа подвижных носителей заряда происходит за счет процессов ударной (лавинной) ионизации атомов, во втором – вследствие нарушения теплового равновесия и повышения температуры полупроводника. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным .

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств ЭДП.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. В качестве основных материалов используются кремний и германий. Прямое напряжение и рабочая температура кремниевых диодов выше, чем германиевых. Частотные характеристики лучше у германиевых диодов. Диапазон прямых токов и допустимых обратных напряжений диодов весьма широк: от десятков миллиампер до сотен ампер и от десятков вольт до десятков киловольт, соответственно. Диапазон обратных токов в зависимости от типа диода может составлять от единиц микроампер до единиц миллиампер. Обратный ток диода характеризует неидеальность его выпрямительных свойств. С этой точки зрения кремниевые диоды, имеющие существенно меньшие обратные токи, перспективнее германиевых.

Типы полупроводниковых диодов представлены на рисунке 10.6.

Рисунке 10.6 – Условные графические обозначения диодов: а – выпрямительный; б – стабилитрон; в – варикап; г – туннельный; д – диод Шоттки; е – светодиод; ж – фотодиод; з – диодный оптрон (оптоопара)

Варикапы (параметрические диоды) используются в качестве конденсаторов переменной емкости. Варикапы широко применяются в схемах автоматической подстройки частоты, амплитудной и частотной модуляции, в схемах параметрических усилителей и др.

Светодиоды – приборы с p-n-переходом, которые излучают свет при прохождении через них прямого тока. Одним из основных параметров светодиодов является длина волны излучаемого света, которая определяет цвет излучения. Светодиоды находят широкое применение в качестве индикаторных панелей, в установках аварийной сигнализации, системах ночного видения, контрольно-цифровой аппаратуре и др.

Туннельные диоды используются в схемах генераторов и усилителей СВЧ-диапазона, в быстродействующих ключевых и импульсных схемах и др. Принцип действия их основан на туннельном эффекте, который возможен в случае сверхмалой толщины ЭДП. Туннельные диоды изготовляют на основе таких высоколегированных полупроводниковых материалов, как Ge и GaAs.

Фотодиоды используются в качестве приемников светового излучения, принцип работы основан на генерации под действием квантов света пар носителей заряда, которые разделяются р-п-переходом, образуя на выходных выводах фотоЭДС. Фотодиоды работают при обратном смещении перехода и используются в двух основных режимах: в качестве датчика освещенности (режим фотоЭДС) и переменного сопротивления, включаемого последовательно с нагрузкой и зависящего от внешней освещенности. Очень широко используется комбинация светодиод–фотодиод, конструктивно объединенная в одном приборе, называемом оптроном или оптопарой. Такие оптопары служат для идеальной гальванической развязки маломощных управляющих и мощных нагрузочных цепей.

Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на взаимодействии близко расположенных ЭДП (рисунок 10.7, 10.8).

Рисунок 10.7 – Схематическое изображение биполярного транзистора типа p-n-p

Эмиттер (Э) – это область с высокой концентрацией положительных носителей заряда – дырок, база (Б) – тонкая область между эмиттером и коллектором, коллектор (К) – область, в которой собирается большинство носителей заряда из базы. Переход, который образуется на границе областей эмиттер–база, называют эмиттерным, а на границе база–коллектор, называется коллекторным. Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Рисунок 10.8 – Условные графические изображения транзисторов p-n-p типа (а) и n-p-n типа (б)

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Основные параметры транзистора – коэффициенты передачи токов:

• коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор меньше единицы за счет рекомбинации части носителей в базе (базового тока), примерный диапазон значений – 0,9...0,99 (в зависимости от типа транзистора);

• – коэффициент передачи базового тока в коллектор, примерный диапазон значений – 10... 1000 (в зависимости от типа транзистора).

Поскольку из принципа работы транзистора следует, что , то:

,

где , очевидно, что .

Величины указанных коэффициентов также зависят от технологического разброса, температуры окружающей среды, частоты сигнала, величины коллекторного тока, обычно в расчетах используются средние значения с последующей корректировкой схемотехники с целью уменьшения погрешностей.

Полевые транзисторы представляют собой класс полупроводниковых приборов, в которых величина выходного тока изменяется под действием электрического поля, создаваемого входным напряжением, благодаря чему полевые транзисторы имеют очень высокое (1...10 МОм) входное сопротивление. Указанное обстоятельство является главным достоинством этих приборов, что подчеркивается в их названии. Различают два подкласса полевых транзисторов: с управляющим р-n-переходом и изолированным затвором со структурой металл–диэлектрик–полупроводник (МДП-структура).

Полевые транзисторы с изолированным затвором (ПТИЗ) бывают двух типов: с встроенным каналом и индуцируемым каналом.

Условные графические обозначения полевых транзисторов разных типов представлены на рисунке 7.10.

Рисунок 10.9 – Условные графические обозначения полевых транзисторов:

а – с каналом n-типа; б – с каналом р-типа; в – с изолированным затвором обогащенного типа с р-каналом; г – с изолированным затвором обогащенного типа с n-каналом

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий три или более р-n-перехода и обладающий вольт-амперной характеристикой с двумя устойчивыми состояниями.

На рисунке 10.10 приведены схема включения и вольт-амперная характеристика тиристора.

Область , в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область – катодом, а области и – базами. Переход называют коллекторным, а переходы , и – эмиттерными.

Между участками с открытым (ВС) и закрытым (OA) состояниями тиристора находится переходный участок, соответствующий неустойчивому состоянию тиристора, – участок АВ, обладающий отрицательным сопротивлением.

Рисунок 10.10 – Схема включения (а) и вольт-амперная характеристика (б) тиристора: , – анодный ток и напряжение; и – сопротивления резисторов, ограничивающие токи при включении; – управляющий ток; , , , – ток и напряжение включения и выключения

тиристора, соответственно

Таким образом, в открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Минимальный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии, называют удерживающим током . При токе через тиристор в результате преобладания процессов рекомбинации уменьшается число неравновесных зарядов в базах, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние. Значение тока, при котором происходит переход тиристора из открытого в закрытое состояние, называют током выключения .

Разновидностью неуправляемого тиристора является соответственно симметричный триодный тиристор – триак. Вольт-амперные характеристики этого прибора имеют одинаковый вид при различных полярностях приложенного напряжения (рисунок 10.11).

Рисунок 10.11 – Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора

Тиристоры нашли применение в различных устройствах автоматики и вычислительной техники. Мощные тиристоры носят название управляемых вентилей и применяются в силовой преобразовательной технике и электроприводе в качестве релейных элементов для бездуговой коммутации электрических цепей, тиристорных пускателей и др. Важным преимуществом тиристоров перед транзисторами является низкое сопротивление включенного прибора, что позволяет пропускать через него токи в десятки раз больше.

Комбинация активных и пассивных твердотельных элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемая как модуль в электронных схемах аналоговой и цифровой микроэлектроники, получила название интегральная микросхема.

Электронная схема – это сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды и транзисторы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и т.д. Электронные схемы строятся на базе дискретных компонентов, а также интегральных схем, которые могут объединять множество различных компонентов на одном полупроводниковом кристалле. Соединения между элементами могут осуществляться посредством проводов, однако в настоящее время чаще применяются печатные платы, когда на изолирующей основе различными методами (например, фотолитографией) создаются проводящие дорожки и контактные площадки, к которым припаиваются компоненты.

Традиционно электронные схемы классифицируются на аналоговые, цифровые, а также гибридные (смешанные).

В аналоговых электронных схемах напряжение и ток могут изменяться непрерывно во времени, отражая какую-либо информацию. В аналоговых схемах существуют два базовых понятия: последовательное и параллельное соединения. Основными элементами для построения аналоговых устройств являются резисторы (сопротивления), конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, а также соединительные проводники.

В цифровых электронных схемах сигнал может принимать только несколько различных дискретных состояний. В подавляющем большинстве случаев используется бинарная (двоичная) логика, когда одному определенному уровню напряжения соответствует логическая единица, а другому – ноль. В цифровых схемах крайне широкое применение находят транзисторы, из которых строятся логические ячейки: И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации. Также на базе транзисторов создаются триггеры – ячейки, которые могут находиться в одном из нескольких устойчивых состояний и переключаться между ними при подаче внешнего сигнала. Последние могут быть использованы как элементы памяти.

Цифровые схемы по сравнению с аналоговыми той же сложности значительно проще в разработке и анализе. Это связано с тем, что логические ячейки на выходе выдают только определенные уровни напряжений и разработчику не надо заботиться об искажениях, усилении, смещении напряжения и прочих аспектах, которые необходимо учитывать при разработке аналоговых устройств. По этой причине на основе логических элементов могут создаваться сверхсложные схемы с огромной степенью интеграции элементов, содержащие на одном кристалле миллиарды транзисторов, стоимость каждого из которых получается ничтожно малой. Именно это во многом и определило развитие современной электроники.

Гибридные схемы объединяют элементы, относящиеся к аналоговой и цифровой электронике. Большинство современных радиоприборов и устройств связи используют гибридные схемы. К примеру, приёмник может состоять из аналоговых усилителя и преобразователя частот, после чего сигнал может быть преобразован в цифровую форму для дальнейшей обработки.

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем: малая интегральная схема (МИС) – до 100 элементов в кристалле; средняя интегральная схема (СИС) – до 1000 элементов в кристалле; большая интегральная схема (БИС) – до 10 тыс. элементов в кристалле; сверхбольшая интегральная схема (СБИС) – более 10 тыс. элементов в кристалле.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т.д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2—8 мкм, В 2014 году выпускаются процессоры, изготовленные по технологи 14 нм. На рисунке 10.12 представлены различные электронные компоненты

Рисунок 10.12 – Различные электронные компоненты