Виды энергетических уровней в кристаллических телах и зависимость электропроводимости от ширины энергетических зон.

Энергетические уровни:

Валентная зона: зона, заполненная электронами, находящимися в связях между атомами.

Зона проводимости: зона, где электроны могут свободно перемещаться, обеспечивая проводимость.

Запрещенная зона: промежуток энергии между валентной зоной и зоной проводимости, где отсутствуют энергетические уровни.

Электропроводимость зависит от ширины запрещенной зоны:

Проводники: очень малая или отсутствующая запрещенная зона; электроны легко переходят в зону проводимости.

Полупроводники: узкая запрещенная зона (до 3 eV); при нагреве или легировании электроны могут пересекать эту зону, увеличивая проводимость.

Изоляторы: широкая запрещенная зона (более 3 eV); электроны не могут пересекать зону при обычных условиях, проводимость очень мала.

Виды электронных эмиссий и краткая их характеристика.

Термоионная эмиссия: выброс электронов с нагретой поверхности металла или полупроводника.

Фотоэлектронная эмиссия: выброс электронов под воздействием светового излучения.

Автоэлектронная эмиссия: выброс электронов под воздействием сильного электрического поля.

Вторичная эмиссия: выброс электронов при ударе высокоэнергетических частиц (электронов, ионов) по поверхности.

Термоэлектронная эмиссия (ТЭ) — возникает в результате нагрева. Используется в вакуумных и газонаполняемых приборах.

Ионно-электронная эмиссия — испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

Взрывная электронная эмиссия — испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

Криогенная электронная эмиссия — испускание электронов ультрахолодными поверхностями, охлаждёнными до криогенных температур.

Общая классификация полупроводниковых приборов (ППП).

По функциональному назначению:

Дискретные полупроводниковые приборы: электропреобразовательные приборы(диоды,транзисторы,тиристоры);

Оптоэлектронные приборы(фоторезисторы,фотодиоды,фототранзисторы)

Полпроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна,туннельные диоды,лавинно-пролётные диоды)

Полупроводниковые детекторы ядерных излучений,термоэлектрические приборы,магнитоэлектрическиеприборы(например,преобразователиХолла);

Тензометрические приборы

Интегральные полупроводниковые приборы:

Активные элементы интегральных схем(преимущественно полевые транзисторы со структурой металл–оксид–полупроводник,или МОП-транзисторы, биполярные транзисторы).

Способы образования ППП: как простых, так и сложных.

Полупроводниковые приборы, такие как диоды, транзисторы и стабилитроны,

образуются путём создания p-n переходов на границе раздела двух полупроводников с

разными типами проводимости. Образование сложных полупроводниковых приборов,

таких как интегральные схемы и микропроцессоры, происходит с использованием

технологий микроэлектроники, например, фотолитографии и травления.

Сравнительный анализ по принципу электронной теории между: проводниками; изоляторами; полупроводниками.

Проводники:

Энергетическая структура: Валентная зона и зона проводимости перекрываются или разделены очень малым запрещённым промежутком.

Проводимость: Высокая, так как электроны легко переходят в зону проводимости.

Температурная зависимость: С повышением температуры проводимость обычно уменьшается из-за увеличения рассеяния электронов на решетке.

Изоляторы:

Энергетическая структура: Широкая запрещённая зона (более 3 eV).

Проводимость: Очень низкая, так как электроны не могут переходить в зону проводимости при нормальных условиях.

Температурная зависимость: Проводимость остаётся низкой даже при повышенных температурах, хотя может слегка увеличиваться при экстремальных условиях.

Полупроводники:

Энергетическая структура: Узкая запрещённая зона (до 3 eV).

Проводимость: Умеренная, может значительно изменяться при воздействии внешних факторов (температура, свет, примеси).

Температурная зависимость: С повышением температуры проводимость увеличивается, так как большее число электронов пересекает запрещённую зону.

Классификация электронно-дырочного перехода по: технологии создания; по принципу действия.

По технологии создания:

Вплавленные: нагрев монокристалла до t плавления, частичное растворение, охлаждение, рекристаллизация с примесью

Диффузионные: Переходы создаются диффузией (внедрением) примесей в полупроводник при высокой температуре.

Эпитаксиальные: Переходы формируются методом эпитаксиального наращивания слоёв на подложке.

По принципу действия:

Прямой переход: Электроны и дырки пересекают p-n переход под воздействием внешнего напряжения, что вызывает ток.

Обратный переход: Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях при приложении обратного напряжения, ток минимален.

Виды:

Стабисторы— ППД,предназначенные для стабилизации напряжения.

Диоды— ППД,используемые для выпрямления переменного тока.

Тиристоры— ППД,способные переключаться из закрытого состоянияв открытое при подаче сигнала на управляющий электрод.

Варикапы— ППД,использующиеся в качестве конденсаторов переменной ёмкости.

Фотодиоды— ППД,преобразующие свет в электрический сигнал.

Транзисторы— полупроводниковые триоды,состоящие из трёх областей с двумя p-n-переходами.

Бетавольтаические источники питания— ППД,преобразующие энергию бета-излучения в электрическую энергию.

Pin-диоды— полупроводниковые диоды с изолированным p-n-переходом,использующиеся для защиты от статического электричества.

Светодиоды— полупроводниковые диоды,излучающие свет при прохождении электрического тока.

Электрический и тепловой пробой в ППП, их способы воздействия и классификация электрического пробоя.

Электрический пробой:

Внутренний (завальный): Возникает при высокой напряжённости электрического поля,электроны приобретают достаточную энергию для ионизации атомов ПП.

Поверхностный: Возникает на поверхности полупроводникового прибора из-за наличия загрязнений и дефектов.

Тепловой пробой:

Механизм: Сильный ток вызывает нагрев, превышающий допустимую температуру, что приводит к разрушению структуры полупроводника.

Электрический пробой в ППП происходит из-за ударной ионизации электронами,когда энергии электронов хватает для ионизации атомов при соударении.

Этот вид пробоя мгновенный и связан с процессом электронной эмиссии.

Тепловой пробой возникает,когда количество теплоты,выделяемой диэлектриком вследствие диэлектрических потерь,превышает количество теплоты,которое может рассеяться

В этих условиях.Этот пробой связан с разогревом материала в электрическом поле до такой температуры,при которой происходит расплавление или обугливание материала.

Классификация электрического пробоя включает: Ионизационный пробой— развивается из-задействия на диэлектрик частичных разрядов,которые окисляют полимеры и разрушают

изоляцию.

Электротепловой пробой— происходит,когда количество теплоты,выделяемое диэлектриком,превышает количество теплоты,которое может рассеяться в заданных условиях.

Способы воздействия:

Электрический: Избегание превышения предельного напряжения.

Тепловой: Обеспечение эффективного теплоотвода и контроль теплового режима работы прибора.

Общие сведения о ППД (полупроводниковом диоде), их классификация, УГО (условно-графическое обозначение) и краткая характеристика.

Полупроводниковый диод (ППД):

Назначение: Пропускание тока в одном направлении и блокирование в обратном.

Классификация:

Полупроводниковый диод— это полупроводниковый прибор с двумя электрическими выводами,который работает на основе различных физических явлений переноса зарядов в

твёрдомполупроводнике.

Классификация диодов:

По назначению:выпрямительные,импульсные,детекторные,смесительные,переключательные,параметрические,ограничительные,умножительные,настроечные,генераторные;

По частотному диапазону:низкочастотные, высокочастотные, СВЧ;

По размеру перехода:плоскостные,точечные,микросплавные;

По конструкции:диоды Шоттки,СВЧ-диоды,стабилитроны,стабисторы,варикапы,светодиоды,фотодиоды,pin-диоды,лавинные диоды,туннельные диоды,обращённые диоды.

УГО: Треугольник, указывающий направление пропускания тока, и черта, обозначающая катод.

ВАХ ППД (вольт-амперная характеристика полупроводникового диода). Схема включения ППД (прямое и обратное).

ВАХ ППД:

Прямое смещение: Плавный рост тока при увеличении прямого напряжения после достижения порогового значения.

Обратное смещение: Очень малый ток (обратный ток) до достижения пробойного напряжения, после которого резко возрастает.

Схема включения:

Характеристики ВПД (выпрямительного полупроводникового диода), его назначение, схема включения и ВАХ. Область применения ВПД.

Выпрямительный полупроводниковый диод (ВПД):

Назначение: Преобразование переменного тока в постоянный.

ВАХ:

Область применения: Источники питания, выпрямительные мосты, зарядные устройства.

Характеристики стабилитрона, его назначение, схема включения и ВАХ. Область применения стабилитрона.

Стабилитрон:

Назначение: Стабилизация напряжения в электрических цепях.

Схема включения: Работает в режиме обратного смещения, подключается параллельно нагрузке.

ВАХ:

Прямое смещение: Подобна обычному диоду.

Обратное смещение: Постоянное напряжение при изменении тока после достижения пробойного напряжения.

Область применения: Стабилизация напряжения в источниках питания, защита от перенапряжений.

Характеристики варикапа, его назначение, схема включения и ВАХ. Область применения варикапа.

Варикап:

Назначение: Изменение ёмкости под воздействием внешнего напряжения.

Схема включения: Включается в цепь переменного напряжения, ёмкость регулируется величиной обратного смещения.

ВАХ:

Ёмкость уменьшается с увеличением обратного напряжения.

Область применения: Настройка частоты в радиоприемниках, генераторах, фазовых модуляторах.

Общие сведения о стабисторе, его назначение, схема включения и ВАХ. Область применения стабистора.

Стабистор:

Назначение: Стабилизация напряжения в цепях постоянного тока.

Схема включения: Работает в режиме стабилизации при определённом напряжении.

ВАХ: Напряжение остаётся постоянным при изменении тока после достижения порогового значения.

Область применения: Стабилизаторы напряжения, регулируемые источники питания.

Общие сведения о туннельном диоде, СВЧ-диоде (сверх высокочастотный), фотодиоде и светодиоде. Схема включения этих элементов и их ВАХ. Область применения вышеперечисленных элементов.

Туннельный диод:

Назначение: Работа на высоких частотах, генерация и усиление сигналов.

Схема включения: Включается в цепь постоянного или переменного тока.

ВАХ: Негативное дифференциальное сопротивление.

Область применения: Высокочастотные осцилляторы, усилители.

СВЧ-диод:

Назначение: Работа в сверхвысокочастотных диапазонах.

Схема включения: Включается в цепи СВЧ-устройств.

ВАХ: Специфичная для высокочастотных применений.

Область применения: Радары, телекоммуникации.

Фотодиод:

Назначение: Преобразование светового сигнала в электрический.

Схема включения: Включается в цепь приёмника света.

ВАХ: Зависимость тока от интенсивности света.

Область применения: Оптические датчики, солнечные батареи.

Светодиод:

Назначение: Преобразование электрической энергии в световое излучение.

Схема включения: Включается в цепь постоянного тока с резистором.

ВАХ: Токово-напряженческая характеристика с излучением света.

Область применения: Освещение, индикаторы, дисплеи.

Общие сведения о тиристоре: классификация, назначение, схема включения и ВАХ.

Тиристор:

Назначение: Управление мощностью в электрических цепях, работа в режиме ключа.

Классификация:

Обычные тиристоры: Основной тип, используется в выпрямительных и инверторных схемах.

GTO (Gate Turn-Off) тиристоры: Могут отключаться с помощью управляющего электрода.

Бистабильные тиристоры: Могут менять состояние при изменении напряжения.

Схема включения: Анод-катод и управляющий электрод (гейт).

ВАХ: Сильный ток через тиристор при приложении управляющего сигнала, удерживание состояния проводимости после отключения управляющего сигнала.

Область применения: Регулирование мощности, управление двигателями, выпрямители.

Общие сведения о симисторе: классификация, назначение, схема включения и ВАХ.

Симистор:

Назначение: Управление переменным током, может проводить ток в обоих направлениях.

Классификация:

Симисторы общего назначения: Для бытовых и промышленных применений.

Высоковольтные симисторы: Для работы в высоковольтных цепях.

Схема включения: Два главных вывода (аноды) и управляющий электрод (гейт).

ВАХ: Симметричная ВАХ с запуском проводимости при подаче сигнала на гейт.

Область применения: Регуляторы освещения, фазовое управление, переключение нагрузки.

Общие сведения о динисторе: классификация, назначение, схема включения и ВАХ.

Динистор:

Назначение: Работа в режиме ключа, проводит ток после достижения определённого напряжения.

Классификация:

Однополярные динисторы: Проводят ток в одном направлении.

Биполярные динисторы: Могут проводить ток в обоих направлениях.

Схема включения: Два главных вывода (анод и катод).

ВАХ: Сильное изменение тока после достижения порогового напряжения.

Область применения: Пусковые устройства, защиты от перенапряжений.

Общие сведения о тринисторе: классификация, назначение, схема включения и ВАХ.

Тринистор:

Назначение: Контроль больших токов, использование в схемах управления.

Классификация:

Тринисторы общего назначения: Для стандартных применений.

Специальные тринисторы: Для специфических условий эксплуатации.

Схема включения: Анод, катод и управляющий электрод.

ВАХ: Запуск проводимости при подаче управляющего сигнала и удерживание состояния до снятия напряжения.

Область применения: Электронные переключатели, регуляторы мощности, управление освещением.

Общие сведения о биполярном транзисторе (БТ): классификация, назначение, схема включения и ВАХ.

Биполярный транзистор (БТ):

Назначение: Усиление и переключение сигналов.

Классификация:

NPN и PNP транзисторы: В зависимости от типа проводимости.

Малосигнальные и мощные транзисторы: Для малых и больших токов.

Схема включения: Три вывода (эмиттер, база, коллектор).

ВАХ: Характеристика зависит от напряжения и тока между базой и эмиттером, а также между коллектором и эмиттером.

Область применения: Усилители, ключевые схемы, генераторы.

Общие сведения о полевом транзисторе (ПТ): классификация, назначение, схема включения и ВАХ.

Полевой транзистор (ПТ):

Назначение: Усиление и переключение сигналов, управление высокоомными цепями.

Классификация:

Junction FET (JFET): С переходом p-n.

Metal-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET): С металлическим затвором.

Схема включения: Три вывода (исток, сток, затвор).

ВАХ: Зависимость тока от напряжения между истоком и стоком, и напряжения на затворе.

Область применения: Усилители, ключевые схемы, аналоговые и цифровые схемы.

Принцип работы БТ и их основные параметры.

Принцип работы БТ:

Эмиттерный переход: Инжекция носителей (электронов или дырок) в базу.

Коллекторный переход: Сбор носителей из базы, создавая основной ток через транзистор.

База: Управление током между эмиттером и коллектором.

Основные параметры:

Hfe (β): Коэффициент усиления по току.

Ic (макс): Максимальный ток коллектора.

Vce (макс): Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером.

Ptot: Максимальная рассеиваемая мощность.

Принцип работы ПТ и их основные параметры.

Принцип работы ПТ:

Затвор: Управление электрическим полем для изменения проводимости канала между истоком и стоком.

Канал: Проводящий путь между истоком и стоком, контролируемый напряжением на затворе.

Основные параметры:

Id (макс): Максимальный ток стока.

Vgs (макс): Максимальное напряжение между затвором и истоком.

Rds(on): Сопротивление канала в открытом состоянии.

Ptot: Максимальная рассеиваемая мощность.

Схема включения БТ: с ОБ, ОК, ОЭ (с общей базой, с общим коллектором, с общим эмиттером).

Схема включения ПТ: с ОИ, ОС, ОЗ (с общим истоком, с общим стоком, с общим затвором).

Основные параметры биполярных транзисторов с учетом схемы включения БТ (для ОБ).

Основные параметры для схемы ОБ:

Ri: Входное сопротивление.

Ro: Выходное сопротивление.

A_v: Коэффициент усиления по напряжению.

A_i: Коэффициент усиления по току.

f_t: Граничная частота.

Основные параметры биполярных транзисторов с учетом схемы включения БТ (для ОК).

Основные параметры для схемы ОК:

Ri: Входное сопротивление.

Ro: Выходное сопротивление.

A_v: Коэффициент усиления по напряжению.

A_i: Коэффициент усиления по току.

f_t: Граничная частота.

Основные параметры биполярных транзисторов с учетом схемы включения БТ (для ОЭ).

Основные параметры для схемы ОЭ:

Ri: Входное сопротивление.

Ro: Выходное сопротивление.

A_v: Коэффициент усиления по напряжению.

A_i: Коэффициент усиления по току.

f_t: Граничная частота.

Общие параметры транзисторов и сравнительный анализ их достоинств с электронно-вакуумными приборами (лампами).

Общие параметры транзисторов:

β (Hfe): Коэффициент усиления по току.

Vceo: Максимальное напряжение коллектор-эмиттер.

Ic(max): Максимальный ток коллектора.

Ptot: Максимальная рассеиваемая мощность.

f_t: Граничная частота.

Rth(j-c): Тепловое сопротивление перехода-корпуса.

Сравнительный анализ:

Транзисторы:

Преимущества: Высокая эффективность, компактные размеры, быстрый отклик, низкое энергопотребление.

Недостатки: Чувствительность к перегрузкам и температурным изменениям.

Электронно-вакуумные приборы:

Преимущества: Высокая надежность, стабильность при высоких напряжениях и токах.

Недостатки: Большие размеры, высокая стоимость, значительное энергопотребление, медленный отклик.

Режимы работы БТ. Ключевой режим работы БТ в автоматических системах (АС).

Режимы работы БТ:

Активный режим: Транзистор работает как усилитель, база имеет напряжение выше эмиттера, и коллектор имеет напряжение выше базы.

Насыщенный режим: Транзистор полностью открыт и проводит максимальный ток, база и коллектор имеют практически одинаковое напряжение.

Отключенный режим: Транзистор не проводит ток, напряжение базы ниже порогового значения.

Ключевой режим работы БТ в АС:

В автоматических системах (АС) БТ часто используются в ключевом (насыщенном) режиме для переключения цепей. Это позволяет транзистору работать как двоичный переключатель (включен/выключен), что необходимо для логических схем и управления нагрузкой.

Общие сведения об оптоэлектронике и фотоэлектрических датчиках (ФЭД): классификация, схемы включения и область применения.

Оптоэлектроника:

Определение: Область электроники, которая изучает и применяет взаимодействие света и электричества.

Классификация:

Эмиттеры: Светодиоды, лазеры.

Детекторы: Фотодиоды, фототранзисторы.

Оптроны: Оптические изоляторы, светореле.

Фотоэлектрические датчики (ФЭД):

Классификация:

Фотодиоды: Преобразуют свет в электрический ток.

Фототранзисторы: Усиливают ток, создаваемый светом.

Солнечные элементы: Преобразуют солнечную энергию в электричество.

Схемы включения:

Фотодиод: Включается в обратном смещении, где ток через диод пропорционален интенсивности света.

Фототранзистор: Используется как усилитель, подключается как обычный транзистор с базой, управляемой светом.

Солнечные элементы: Подключаются для непосредственного преобразования света в постоянное напряжение.

Область применения:

Автоматика, измерительные приборы, системы безопасности, солнечные батареи, оптическая связь.

Принцип работы ФЭД с внутренним фотоэффектом, их характеристики, достоинства и недостатки.

Принцип работы ФЭД с внутренним фотоэффектом:

Внутренний фотоэффект заключается в генерации пар электрон-дырка внутри полупроводника под воздействием света, что изменяет проводимость материала.

Характеристики:

Высокая чувствительность к свету.

Быстрая реакция на изменение освещённости.

Достоинства:

Высокая эффективность преобразования.

Хорошая линейность характеристики "свет - ток".

Недостатки:

Чувствительность к температуре.

Необходимость работы в определённом диапазоне длин волн.

Принцип работы ФЭД с внешним фотоэффектом, их характеристики, достоинства и недостатки.

Принцип работы ФЭД с внешним фотоэффектом:

Внешний фотоэффект заключается в выбивании электронов из материала под воздействием света, что создаёт электрический ток при определённых условиях.

Характеристики:

Требует металлов с малой работой выхода электронов.

Работает при высоких уровнях освещённости.

Достоинства:

Простота конструкции.

Возможность работы с очень короткими длинами волн (ультрафиолет).

Недостатки:

Низкая эффективность.

Требует высокоэнергетического излучения.

Принцип работы ФЭД с вентильным фотоэффектом, их характеристики, достоинства и недостатки.

Принцип работы ФЭД с вентильным фотоэффектом:

Вентильный фотоэффект заключается в изменении потенциала или сопротивления на p-n переходе под воздействием света.

Характеристики:

Высокая чувствительность к интенсивности света.

Использование в широком диапазоне длин волн.

Достоинства:

Высокая точность измерения.

Надёжность и долговечность.

Недостатки:

Зависимость от температуры.

Необходимость в дополнительных схемах для стабилизации и обработки сигнала.

Принцип действия оптрона, их классификация и область применения; УГО и схема включения.

Принцип действия оптрона:

Оптрон состоит из источника света (светодиода) и фотодетектора (фототранзистора или фотодиода) в одном корпусе, которые изолированы электрически, но связаны оптически. Свет от светодиода управляет фотодетектором, обеспечивая оптическую изоляцию между входом и выходом.

Классификация:

По типу фотодетектора: С фотодиодом, с фототранзистором, с фототиратором.

По способу монтажа: Для сквозного монтажа, для поверхностного монтажа.

Область применения:

Системы управления, измерительные приборы, защита от помех, интерфейсы в микропроцессорных системах.

УГО (условно-графическое обозначение):

Прямоугольник с двумя выводами для светодиода и двумя выводами для фотодетектора, со стрелкой внутри, указывающей направление света.

Схема включения: Светодиод подключается к управляющей цепи, фотодетектор включается в нагрузочную цепь, изолируя эти цепи друг от друга.

Общие сведения об ИВЭП (источниках вторичного электропитания), их классификация и назначение.

Источники вторичного электропитания (ИВЭП):

Назначение: Преобразование первичного электропитания (обычно переменного тока) в стабилизированное напряжение постоянного тока для питания различных электронных устройств.

Классификация:

Линейные ИВЭП: Используют линейные регуляторы для стабилизации напряжения.

Импульсные ИВЭП: Используют импульсные преобразователи для повышения эффективности и уменьшения размеров.

Батарейные ИВЭП: Используют аккумуляторы или батареи для автономного питания.

Назначение: Обеспечение стабильного напряжения и тока для работы электронных схем и устройств, защита от перенапряжений и перегрузок, фильтрация помех.

Структурная схема простейшего выпрямителя, назначение его элементов и общая классификация.

Простейший выпрямитель:

Диод: Преобразование переменного тока в постоянный.

Фильтр (конденсатор): Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения.

Резистор (нагрузка): Потребление выпрямленного напряжения.

Назначение элементов:

Диод: Пропускает ток в одном направлении, преобразуя переменное напряжение в пульсирующее постоянное.

Конденсатор: Сглаживает пульсации напряжения, обеспечивая более стабильное постоянное напряжение.

Резистор: Представляет собой нагрузку, на которую подаётся выпрямленное напряжение.

Классификация:

Однополупериодный выпрямитель: Использует один диод, выпрямляет только один полупериод переменного тока.

Двухполупериодный выпрямитель: Использует два или четыре диода, выпрямляет оба полупериода переменного тока.

Схемы включения и назначение применения однофазных выпрямителей.

Схемы включения однофазных выпрямителей:

Однополупериодный выпрямитель:

Схема: Один диод подключен последовательно с нагрузкой.

Назначение: Простые схемы, где требуется недорогой и простой выпрямитель с низкой эффективностью.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом:

Схема: Два диода и трансформатор с центральным отводом.

Назначение: Применяется в схемах с более высоким выходным напряжением и лучшим сглаживанием.

Мостовой выпрямитель:

Схема: Четыре диода соединены в мостовую схему.

Назначение: Применяется в схемах, где требуется эффективное выпрямление без необходимости трансформатора с центральным отводом.

Схемы включения и назначение применения трехфазных выпрямителей.

Схемы включения трехфазных выпрямителей:

Трехфазный мостовой выпрямитель:

Схема: Шесть диодов соединены в мостовую схему.

Назначение: Применяется для выпрямления трёхфазного напряжения с высоким выходным током и низкими пульсациями.

Полумостовой выпрямитель:

Схема: Три диода.

Назначение: Применяется в системах, где необходима простая и менее дорогая схема по сравнению с мостовой.

Формулы расчета для определения параметров однофазных выпрямителей различных схем включения.

Формулы расчета для определения параметров трехфазных выпрямителей различных схем включения.

Общие сведения об управляемых выпрямителях, их назначение и схема включения.

Определение: Выпрямители, у которых выходное напряжение или ток могут регулироваться путём управления временем включения и выключения активных элементов (тиристоров, транзисторов).

Назначение: Применяются в системах с регулируемым выходом, таких как зарядные устройства, регулируемые источники питания, преобразователи частоты.

Схема включения:

Управляемые выпрямители включают активные элементы, такие как тиристоры или транзисторы, в конфигурации мостового или полумостового выпрямителя. Управление осуществляется через управляющие сигналы, подаваемые на затворы (тиристоров) или базы (транзисторов).

Общие сведения о сглаживающих фильтрах, их назначение и классификация.

Сглаживающие фильтры:

Назначение: Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения для получения более стабильного постоянного напряжения.

Классификация:

LC-фильтры: Используют индуктивности (L) и ёмкости (C) для сглаживания.

RC-фильтры: Используют резисторы (R) и ёмкости (C).

Г-фильтры: Комбинированные фильтры, включающие последовательную индуктивность и параллельную ёмкость.

П-фильтры: Комбинированные фильтры, состоящие из двух последовательных ёмкостей и параллельной индуктивности между ними.

Схемы включения сглаживающих фильтров: как простых, так и сложных.

Схемы включения сглаживающих фильтров:

Простой RC-фильтр:

Схема: Резистор последовательно и конденсатор параллельно нагрузке.

Назначение: Простое и недорогое решение для сглаживания низкочастотных пульсаций.

Простой LC-фильтр:

Схема: Индуктивность последовательно и конденсатор параллельно нагрузке.

Назначение: Эффективное сглаживание высокочастотных пульсаций.

Г-фильтр:

Схема: Индуктивность последовательно с входом и конденсатор параллельно выходу.

Назначение: Используется для более качественного сглаживания по сравнению с простыми фильтрами.

П-фильтр: Два конденсатора последовательно с входом и выходом, и индуктивность между ними параллельно нагрузке.

Назначение: Обеспечивает высокое качество сглаживания для широкого диапазона частот.

Основные параметры сглаживающих фильтров и область их применения.

Основные параметры сглаживающих фильтров:

Емкость (C): Величина ёмкости конденсаторов, определяет степень сглаживания.

Индуктивность (L): Величина индуктивности, влияет на частотные характеристики фильтра.

Сопротивление (R): Значение резисторов в RC-фильтрах, влияет на степень затухания пульсаций.

Реактивная мощность (Q): Параметр, характеризующий эффективность фильтрации.

Область применения:

Источники питания, аудиоаппаратура, радиотехника, измерительные приборы, любые схемы, требующие стабилизированного постоянного напряжения.

Принцип работы Г и П-образных сглаживающих фильтров. Качественное их различие в области применения.

Г-образный фильтр:

Индуктивность (L) подключена последовательно с нагрузкой, конденсатор (C) параллельно нагрузке.

Работает по принципу блокировки высокочастотных компонентов тока индуктивностью и шунтирования их конденсатором.

Применение: Сглаживание высокочастотных пульсаций в источниках питания.

П-образный фильтр:

Состоит из двух конденсаторов (C1 и C2) и индуктивности (L) между ними.

Работает по принципу двухступенчатого сглаживания: первая ступень (C1 и L) снижает высокочастотные пульсации, вторая (L и C2) дополнительно сглаживает оставшиеся пульсации.

Применение: Высококачественное сглаживание в прецизионных источниках питания и аудиотехнике.

Качественное различие:

Г-образные фильтры: Преимущества в простоте и дешевизне, подходят для общего сглаживания.

П-образные фильтры: Более сложные и дорогие, обеспечивают лучшее качество сглаживания, применяются там, где необходима высокая степень стабилизации напряжения.

Правила подбора ППД для простейших однофазных неуправляемых выпрямителей.

Правила подбора полупроводниковых диодов (ППД):

Максимальное обратное напряжение (VR):

Выбирается так, чтобы превышать пиковое значение входного напряжения выпрямителя. Рекомендуется выбирать диод с обратным напряжением в 2-3 раза выше пикового напряжения.

Средний прямой ток (IF(AV)):

Должен быть больше или равен максимальному току нагрузки. Учитываются также условия охлаждения и рабочие циклы.

Импульсный прямой ток (IFSM):

Должен выдерживать кратковременные токовые перегрузки, особенно в момент включения.

Температурные характеристики:

Диод должен соответствовать рабочим температурным условиям. Следует учитывать как номинальную, так и максимальную рабочую температуру.

Тип корпуса и способ монтажа:

В зависимости от схемы и условий эксплуатации выбирается тип корпуса диода (например, SMD или выводной) и способ его монтажа.

Общие сведения о стабилизаторах напряжения и тока, их назначение и область применения в электронике.

Стабилизаторы напряжения и тока:

Назначение:

Обеспечивают постоянное выходное напряжение или ток независимо от изменений входного напряжения или нагрузки.

Используются для защиты электронных компонентов и схем от перепадов напряжения и тока.

Область применения:

Электропитание электронных устройств, зарядные устройства, источники питания для чувствительных приборов, медицинская техника, измерительные системы, телекоммуникации.

Типы стабилизаторов:

Линейные стабилизаторы:

Обеспечивают стабильное выходное напряжение за счёт регулирования напряжения через активный элемент (транзистор). Примеры: стабилитроны, интегральные стабилизаторы (например, серии 78xx).

Импульсные стабилизаторы:

Используют переключение активных элементов для регулирования напряжения. Примеры: понижающие (buck), повышающие (boost), инвертирующие (inverting) преобразователи.

Принцип действия и структурная схема параметрического стабилизатора напряжения.

Принцип действия параметрического стабилизатора напряжения:

Основан на использовании стабилитрона, который поддерживает постоянное выходное напряжение.

Схема: Включает резистор (R), стабилитрон (ZD) и нагрузку (RL).

Резистор ограничивает ток, стабилитрон поддерживает постоянное напряжение на нагрузке.

Принцип действия и структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения.

Принцип действия компенсационного стабилизатора напряжения:

Использует активный элемент (транзистор или операционный усилитель), который сравнивает выходное напряжение с опорным и корректирует его.

Структурная схема:

Состоит из референсного источника напряжения, операционного усилителя (ОУ) и регулирующего элемента (транзистора).

Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с опорным и управляет транзистором для поддержания стабильного выходного напряжения.

Общие сведения об усилителях, их классификация, структурная схема и область применения.

Усилители:

Назначение: Усиление электрических сигналов по напряжению, току или мощности.

Область применения: Аудиоусилители, радиотехника, медицинская аппаратура, измерительные системы, телекоммуникации.

Классификация:

По типу сигнала: Усилители постоянного тока (УПТ), усилители переменного тока.

По классу работы: А, B, AB, C, D.

По частотному диапазону: Низкочастотные, высокочастотные, широкополосные.

По конструкции: Однокаскадные, многокаскадные.

Структурная схема: Включает входной каскад (предусилитель), промежуточный каскад и выходной каскад (мощностной усилитель).

Основные параметры и характеристики усилителей напряжения.

Основные параметры усилителей напряжения:

Коэффициент усиления (A): Отношение выходного сигнала к входному.

Полоса пропускания: Диапазон частот, на которых усилитель работает эффективно.

Входное сопротивление (Rin): Сопротивление на входе усилителя.

Выходное сопротивление (Rout): Сопротивление на выходе усилителя.

Коэффициент нелинейных искажений: Мера искажений сигнала при усилении.

Коэффициент полезного действия (КПД): Отношение выходной мощности к потребляемой мощности.

Виды режимов, в которых работают усилители напряжения, их достоинства и недостатки.

Режимы работы усилителей напряжения:

Класс A: Работает на линейной части характеристики транзистора.

Достоинства: Высокая линейность, низкие искажения.

Недостатки: Низкий КПД, высокая теплоотдача.

Класс B: Усиление происходит только на положительном или отрицательном полупериоде сигнала.

Достоинства: Высокий КПД.

Недостатки: Кроссоверные искажения.

Класс AB: Комбинирует классы A и B.

Достоинства: Баланс между КПД и линейностью.

Недостатки: Сложность схемы.

Класс C: Работает на малой части характеристики.

Достоинства: Очень высокий КПД.

Недостатки: Высокие искажения, применим только для высокочастотных сигналов.

Класс D: Импульсный режим работы.

Достоинства: Очень высокий КПД, низкие тепловые потери.

Недостатки: Сложность фильтрации высокочастотных помех.

Обратная связь в усилителях, её назначение и классификация.

Обратная связь (ОС):

Назначение: Стабилизация усиления, уменьшение искажений, расширение полосы пропускания, улучшение устойчивости.

Классификация:

Положительная ОС (ПОС): Усиливает входной сигнал, может привести к нестабильности и самовозбуждению.

Отрицательная ОС (ООС): Уменьшает входной сигнал, стабилизирует работу усилителя, уменьшает искажения.

Типы ОС:

Последовательная: ОС включается последовательно с входным сигналом.

Параллельная: ОС включается параллельно с входным сигналом.

Влияние ООС (отрицательной обратной связи) на работу усилителя напряжения.

Влияние ООС:

Снижение коэффициента усиления: Усиление уменьшается, но становится более стабильным.

Уменьшение нелинейных искажений: ОС корректирует искажения, улучшая качество сигнала.

Расширение полосы пропускания: Увеличивается частотный диапазон, на котором усилитель работает эффективно.

Повышение устойчивости: Уменьшается вероятность самовозбуждения и появления паразитных колебаний.

Влияние ПОС (положительной обратной связи) на работу усилителя напряжения.

 Увеличение коэффициента усиления: Усиление увеличивается, но может стать нестабильным.

 Увеличение нелинейных искажений: Усиливаются искажения сигнала.

 Сужение полосы пропускания: Частотный диапазон, на котором усилитель работает эффективно, уменьшается.

Снижение устойчивости: Повышается вероятность самовозбуждения и появления паразитных колебаний.

Температурная стабилизация в однокаскадных усилителях напряжения на БТ. Принцип их работы.

Температурная стабилизация в однокаскадных усилителях на биполярных транзисторах (БТ):

Назначение: Стабилизация рабочего режима транзистора при изменениях температуры, так как параметры транзистора (например, ток коллектора) зависят от температуры.

Принципы работы:

Термокомпенсационные элементы: Использование резисторов с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) или диодов, включенных в цепь эмиттера.

Отрицательная обратная связь: Введение отрицательной обратной связи по току или напряжению для стабилизации рабочих точек транзистора.

Стабилизация рабочего тока: Применение схем стабилизации тока базы, такие как делители напряжения, термостабильные источники тока.

Общие сведения о многокаскадных усилителях, схемы их включения и виды межкаскадных связей.

Многокаскадные усилители:

Назначение: Повышение коэффициента усиления за счёт последовательного включения нескольких усилительных каскадов.

Схемы включения:

Каскад с общей базой (ОБ):

Каскад с общим коллектором (ОК):

Каскад с общим эмиттером (ОЭ):

Виды межкаскадных связей:

Резистивная связь: Простой способ связи каскадов с помощью резисторов.

Емкостная связь: Использование конденсаторов для блокировки постоянной составляющей и передачи переменного сигнала.

Трансформаторная связь: Применение трансформаторов для гальванической развязки и согласования импедансов.

Индуктивная связь: Использование индуктивностей для передачи сигнала между каскадами.

Методика определения коэффициентов усиления для трех- и четырехкаскадных усилителей, где часть коэффициентов усиления даны в отвлеченных числах, а другая – в логарифмических единицах.

Методика определения коэффициентов усиления:

Отвлеченные числа: Могут быть даны как линейные коэффициенты (например, 10, 100).

Логарифмические единицы: Коэффициенты усиления могут быть выражены в децибелах (дБ).

Пример расчета:

Виды УПТ (усилителей постоянного тока), их назначение и принцип работы.

Усилители постоянного тока (УПТ):

Назначение: Усиление сигналов постоянного тока или сигналов с низкой частотой, часто используются в измерительных приборах и системах автоматики.

Виды УПТ:

Одиночные УПТ: Простые усилители с одним каскадом, подходят для простых задач.

Дифференциальные УПТ: Используют два транзистора для уменьшения общего сигнала и усиления разностного сигнала.

Многокаскадные УПТ: Включают несколько усилительных каскадов для повышения общего коэффициента усиления и улучшения линейности.

Принцип работы:

Используют активные элементы (транзисторы, операционные усилители) для увеличения уровня входного сигнала.

Включают схемы термостабилизации и обратной связи для поддержания стабильной работы.

Схемы включения УПТ с одним или двумя источниками питания.

Схемы включения:

С одним источником питания:

Однополярное питание: Использует один источник положительного напряжения. Требуется смещение для работы на средней точке сигнала.

С двумя источниками питания:

Биполярное питание: Использует два источника питания (положительное и отрицательное напряжение). Упрощает работу схемы, так как средняя точка сигнала равна нулю.

Краткая характеристика дрейфа нуля в УПТ и способы борьбы с ним.

Дрейф нуля:

Характеристика: Изменение выходного напряжения усилителя, когда на его вход не подан сигнал. Вызывается температурными изменениями, нестабильностью элементов схемы.

Способы борьбы:

Температурная компенсация: Использование компонентов с низким температурным коэффициентом, таких как прецизионные резисторы и транзисторы.

Стабилизация напряжения питания: Применение стабилизаторов напряжения для минимизации влияния колебаний напряжения питания.

Активные схемы коррекции: Введение схем обратной связи и автокалибровки, которые компенсируют дрейф.

Экранирование и защита: Использование экранированных корпусов и защита от внешних электромагнитных помех.

Причина возникновения дрейфа нуля в УПТ.

Причины дрейфа нуля:

Температурные изменения: Влияние температуры на параметры полупроводниковых элементов, изменение характеристик резисторов и других пассивных компонентов.

Колебания напряжения питания: Нестабильность источников питания приводит к изменению рабочих точек усилителя.

Аging: Старение компонентов, изменение их параметров со временем.

Механические вибрации: Влияние внешних механических факторов на физическое расположение и контакт компонентов.

Схемы включения однотактных и двухтактных усилителей мощности.

Однотактные усилители мощности:

Схема включения: Один активный элемент (транзистор или лампа), работающий в классе A.

Принцип работы: Усиление всего сигнала на одном транзисторе.

Преимущества: Простота конструкции, высокая линейность.

Недостатки: Низкий КПД, значительная теплоотдача.

Двухтактные усилители мощности:

Схема включения: Два активных элемента, работающие в противоположных полупериодах сигнала.

Типы связи: Трансформаторная и без трансформаторная.

Принцип работы: Один транзистор усиливает положительный полупериод, другой – отрицательный.

Преимущества: Высокий КПД, уменьшение искажений.

Недостатки: Сложность схемы, необходимость согласования работы двух транзисторов.

Сравнительный анализ между однотактными и двухтактными усилителями мощности.

Однотактные усилители мощности:

Преимущества: Простота конструкции, высокая линейность, малая сумма искажений.

Недостатки: Низкий КПД (до 25-30%), высокая теплоотдача.

Двухтактные усилители мощности:

Преимущества: Высокий КПД (до 70-80%), лучшее использование питания, меньшее искажение сигнала.

Недостатки: Сложность схемы, необходимость синхронизации работы двух транзисторов, возможные кроссоверные искажения.

Принцип действия однотактного усилителя мощности.

Однотактный усилитель мощности — это устройство, которое усиливает сигнал, используя один активный элемент (транзистор или электронная лампа), работающий в классе А. Принцип действия основан на изменении тока через активный элемент под воздействием входного сигнала. В однотактных усилителях рабочая точка задается так, что транзистор или лампа всегда находятся в активном режиме. Это обеспечивает высокое качество усиленного сигнала, но приводит к значительным потерям мощности на тепловыделение.

Принцип действия двухтактного усилителя мощности: с трансформаторной связью между каскадами и без трансформаторной связи.

С трансформаторной связью: Двухтактный усилитель мощности с трансформаторной связью между каскадами использует два транзистора (или лампы), которые работают в противофазе. Это позволяет каждому транзистору усиливать одну полуволну входного сигнала. Трансформатор на выходе объединяет две полуволны в один усиленный сигнал. Преимущество трансформатора в том, что он может обеспечивать гальваническую развязку и корректировать уровни напряжения и тока.

Без трансформаторной связи: В двухтактных усилителях без трансформаторной связи вместо трансформатора используются комплементарные транзисторы (NPN и PNP или NMOS и PMOS), что позволяет непосредственно усиливать обе полуволны входного сигнала. Это улучшает КПД и уменьшает размеры устройства, но требует тщательного подбора транзисторов для обеспечения синфазного усиления.

Общие сведения о видах сигналов: видеоимпульсе и радиоимпульсе.

Видеоимпульс: Видеоимпульс представляет собой сигнал, используемый для передачи видеоинформации. Это может быть как аналоговый сигнал, содержащий информацию о яркости и цвете изображения, так и цифровой сигнал. Видеосигналы характеризуются высокой частотой и широким диапазоном частот.

Радиоимпульс: Радиоимпульс представляет собой короткий, высокочастотный сигнал, используемый в радиосвязи. Он может использоваться для передачи данных, навигации или радиолокации. Радиоимпульсы часто модулируются по амплитуде, частоте или фазе для передачи информации.

Достоинства и недостатки импульсной техники в сравнении с аналоговыми устройствами.

Достоинства:

Высокий КПД: Импульсные устройства (например, импульсные источники питания) имеют значительно более высокий КПД по сравнению с аналоговыми, так как они работают в режиме ключа.

Меньшие размеры и вес: Благодаря высокой плотности энергии импульсные устройства компактны и легки.

Меньшее тепловыделение: Высокий КПД приводит к меньшему тепловыделению.

Недостатки:

Сложность схемотехники: Импульсные схемы более сложны в реализации и требуют тщательного проектирования.

Электромагнитные помехи (EMI): Быстрые переключения в импульсных устройствах могут создавать высокочастотные помехи, которые могут влиять на другие устройства.

Качество сигнала: Импульсные устройства могут вносить шум и искажения в сигнал.

Параметры видеоимпульсов и их характерные участки с краткой характеристикой.

Видеоимпульсы характеризуются следующими параметрами:

Амплитуда: Определяет максимальное и минимальное значение сигнала.

Полоса пропускания: Ширина частотного диапазона, в котором передается сигнал без значительных искажений.

Длительность: Время, в течение которого импульс находится на высоком уровне.

Форма импульса: Определяет переходные процессы и тип фильтрации.

Характерные участки:

Фронт импульса: Время нарастания сигнала от минимального до максимального значения.

Спад импульса: Время снижения сигнала от максимального до минимального значения.

Плато: Период, в течение которого сигнал находится на высоком уровне.

Общие сведения об электронных ключах: классификация, назначение и область применения.

Классификация:

Механические (реле): Используют для переключения цепей при помощи электромагнитов.

Полупроводниковые (транзисторы, тиристоры): Используют для высокочастотного переключения в электронных схемах.

Назначение: Электронные ключи применяются для управления электрическими цепями, в схемах коммутации, в импульсных источниках питания и в цифровой электронике.

Область применения:

Промышленная автоматика: Управление двигателями, автоматизация процессов.

Электронные устройства: Включение/выключение питания, управление сигналами.

Компьютерные системы: Включение компонентов, маршрутизация данных.

Общие сведения о формирователях импульсов. Принцип работы RC-цепей.

Формирователи импульсов — одни из наиболее часто используемых узлов различной аппаратуры. Они необходимы для сопряжения устройств, для формирования логических уровней напряжения от активных датчиков и детектирования импульсов. По назначению эти устройства можно разбить на три группы:

формирователи некоторого произвольного по длительности импульса при поступлении на вход запускающего импульса;

формирователи выходного импульса, максимально приближенного по длительности к входному запускающему импульсу;

формирователи, которые в ответ на поступление на их вход запускающего импульса генерируют определенный по длительности и фазе импульс.

RC-цепи (резистор-конденсаторные цепи) используются для формирования временных задержек и фильтрации сигналов. Временная константа цепи определяется как произведение сопротивления резистора (R) и емкости конденсатора (C). При подаче сигнала на такую цепь конденсатор заряжается или разряжается экспоненциально, создавая задержку или фильтрацию частот.

Общие сведения об амплитудных ограничителях.

Определение и назначение: Амплитудные ограничители – это устройства, предназначенные для ограничения амплитуды сигнала до определённого уровня. Они защищают электронные компоненты от перегрузок и устраняют помехи, обеспечивая стабильную работу систем.

Область применения: Системы связи, Аудио и видеотехника, Силовая электроника, Медицинская электроника

Общие сведения о мультивибраторе: определение, назначение и область применения.

Определение и назначение: Мультивибратор – это электронное устройство, генерирующее прямоугольные импульсы. Оно используется в качестве генератора сигналов, таймера, или делителя частоты.

Принцип работы и схема включения: Мультивибраторы бывают трёх типов: астабильные (генерируют непрерывную серию импульсов), моновибраторы (генерируют одиночный импульс), и бистабильные (работают как триггер).

Астабильный мультивибратор:

Генерирует непрерывные колебания.

Состоит из двух транзисторов, конденсаторов и резистор

Принцип работы мультивибратора и схема его включения.

Принцип работы и схема включения: Мультивибраторы бывают трёх типов: астабильные (генерируют непрерывную серию импульсов), моновибраторы (генерируют одиночный импульс), и бистабильные (работают как триггер).

Общие сведения об одновибраторе: определение, назначение и область применения.

Определение и назначение: Одновибратор – это устройство, генерирующее одиночный импульс фиксированной длительности в ответ на входной сигнал. Используется для формирования одиночных импульсов.

Принцип работы и схема включения:

Принцип работы основан на переключении между двумя состояниями: активным и пассивным.

Принцип работы одновибратора и схема его включения.

Принцип работы и схема включения:

Принцип работы основан на переключении между двумя состояниями: активным и пассивным.

Принцип работы ГЛИН (генераторо-линейно изменяющегося напряжения) и схема его включения.

Определение и назначение: ГЛИН – это генератор, создающий линейно изменяющееся напряжение (обычно пилообразный сигнал). Применяется в осциллографах, измерительной технике, и в схемах синхронизации.

Принцип работы и схема включения:

Использует заряд и разряд конденсатора для формирования линейного изменения напряжения.

Включает операционные усилители, транзисторы и конденсаторы.

Общие сведения об ГЛИН: определение, назначение и область применения.

Генератор линейного изменяющегося напряжения (ГЛИН) — импульсное устройство, в выходном напряжении которого имеется участок линейно изменяющийся во времени.

Напряжение может меняться периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы

Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением.

Если меняется от максимального значения к минимальному - линейно-падающим

Различают три способа создания ГЛИН: