Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Основы электроники для специальности 1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами

которых не превышает 1 мкм. Пленки толщиной более 1 мкм называют

толстыми.

Элементы тонкопленочных ИМС наносятся методом термовакуумного осаждения или катодного распыления. При термовакуумном осаждении подложка с маской располагаются в вакуумной камере, в которой помещен испаряемый материал и нагреватель. При нагревании материал испаряется и осаждается на подложку через «окна» в маске в виде тонкой пленки.

При катодном распылении в разреженной газовой среде размещаются холодный катод из распыляемого металла, анод и между ними подложка. Между анодом и катодом прикладывается высокое напряжение, вызывающее ионизацию газа. Положительные ионы движутся к катоду и выбивают из него атомы металла, которые осаждаются на подложке, образуя тонкую пленку.

Толстые пленки получают методом шелкографии, заключающемся в продавливании пасты, изготовленной из материалов, образующих пленки, через специальные сетки-трафареты, имеющие шелковую основу.

На рисунке 1.60 приведена структура таких пленочных элементов (вид сверху).

Рисунок 1.60 - Структура пленочных элементов: а – резистор, б – резистор в виде меандра, в – конденсатор, г – индуктивность

В пленочных микросхемах для создания катушки индуктивности используется плоская металлическая спираль, нанесенная на изолирующее основание. Однако в полупроводниковых микросхемах обычно имитируется эффект отставания тока от напряжения, как это имеет место в реальной индуктивности. Это отставание может быть достигнуто за счет замедленного движения носителей заряда в некотором объеме полупроводника.

Если необходимо, чтобы в состав микросхемы входили помимо пассивных элементов и активные (биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и т. д.), то последние выполняют в виде отдельных дискретных микроминиатюрных компонентов и подсоединяют к микросхеме. Пример части гибридной микросхемы приведен на рисунке 1.61. Гибридные интегральные микросхемы обычно используются для изготовления малосерийной или опытной аппаратуры, применяемой для выполнения каких-либо нестандартных операций над сигналами.

51

Применение ИМС вместо дискретных элементов в качестве электронной базы электронных устройств дает значительные преимущества по надежности, габаритам, стоимости и другим показателям. Это связано с тем, что при использовании ИМС резко уменьшается количество паяных соединений – основного фактора ненадежности, значительно сокращаются габаритные размеры и масса проектируемых электронных устройств, существенно снижается их стоимость, прежде всего за счет небольшой стоимости ИМС, снижения трудоемкости изготовления аппаратуры и использования автоматизированных систем проектирования.

Оптоэлектронные приборы

Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы.

Прием и преобразование световых («фотонных») сигналов в электрические осуществляется фотоэлектронными приборами. Преобразование электрических сигналов в световые производится

электросветовыми (излучающими) приборами.

В качестве излучающих приборов используются или микроминиатюрные лампочки накаливания или (чаще всего) светодиоды.

Фотоэлектронные приборы разделяются на четыре класса: 1)фотоэмиссионные приборы, основанные на фотоэлектронной эмиссии

споверхности фотокатодов, помещенных в вакуум или разреженный газ;

2)фоторезистивные приборы, основанные на увеличении проводимости полупроводников под воздействием света;

3)фотогалъванические приборы, в которых при воздействии света генерируется фото-ЭДС;

4)фотомагнитные приборы, в которых при одновременном воздействии магнитного поля и света генерируется фотомагнитная ЭДС.

Простейшими фотоэмиссионными приборами являются двухэлектродные вакуумные или газонаполненные фотоэлементы.

К фоторезистивным приборам относятся полупроводниковые фоторезисторы (приборы без p-n-перехода).

К фотогальваническим элементам относятся фотоэлементы с запорным слоем (вентильные фотоэлементы), фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и солнечные батареи. Фототранзисторы конструктивно отличаются от обычных биполярных и полевых транзисторов лишь тем, что у них в корпусе имеется окно, пропускающее световой поток и фокусирующее его в области n-р-перехода (рис. 1.62, а и рис.1.62, б). Фототиристоры (рисунок 1.62, в) отличаются от обычных тиристоров тем, что в их корпусах также имеется прозрачное для света окно, вследствие чего их можно включать (а некоторые их виды и выключать), воздействуя световым сигналом.

53

Фотогальванические приборы являются преобразователями световой энергии в электрическую энергию с КПД до 25 %. Это позволяет применять фотогальванические приборы для преобразования световых сигналов в электрические, а также создавать на основе этих приборов преобразователи солнечной энергии в электрическую (1м2 земной поверхности, освещаемой Солнцем, получает световую энергию мощностью до 500-1000 Вт). В настоящее время для этих целей наиболее широко применяют кремниевые солнечные батареи.

Элемент солнечной батареи устроен следующим образом. На пластинке n-кремния диффузионным способом получают тонкий полупрозрачный слой р- кремния, в результате чего образуется плоский n-р-переход (рис. 1.62, г). При освещении солнечным светом n-р-перехода появляется фото-ЭДС, равная 0,5- 0,6 В. В режиме короткого замыкания солнечные батареи создают ток до 40 мА на 1 см2 площади n-p-перехода.

Фотоэлектрические преобразователи световых изображений на основе полупроводниковых приборов с зарядовой связью.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) конструктивно напоминают МОПтранзисторы с изолированным затвором (рис. 1.62, д, е) на поверхности основания («подложки») из сверхчистого кремния с дырочной проводимостью создается тонкий слой (порядка 0,1 микрометра) диоксида кремния (SiO2), поверх которого наносятся тончайшие (практически прозрачные) металлические полоски, выполняющие роль затворов. Если на затвор подается плюс от внешнего источника, а на основание — минус, то непосредственно под затвором, в основании с p-проводимостью, возникает область без носителей заряда (т.е. своеобразная «потенциальная яма»). Все дырки вытесняются из этой зоны вглубь основания (как это схематически показано пунктирной линией на рисунке 1.62, д). При этом электроны, которые бы могли войти в эту зону и изменить ее потенциал, в нормальных условиях в основании практически отсутствуют, поскольку оно выполняется из сверхчистого кремния, в который при создании были введены только акцепторные примеси.

Таким образом, под затвором создается «потенциальная яма», в которой нет неосновных носителей заряда - электронов, но в которую их можно ввести и они смогут находиться («храниться») в ней достаточно долго, так как дырок, с которыми они могли бы рекомбинировать, поблизости нет. Электроны в «потенциальной яме» могут образоваться под действием света: но для этого все элементы прибора должны быть выполнены столь тонкими (десятые доли микрометра), чтобы быть прозрачными для световых потоков. В этом случае, фотоны проникают в подзатворную область, где и отдают свою энергию, вызывая генерацию носителей заряда (электронов и дырок). Дырки полем затвора оттесняются вглубь основания, а электроны остаются в подзатворной области и создают в потенциальной яме «зарядовый пакет».

При этом, чем более интенсивный световой поток попадает в подзатворную область, тем больше электронов в ней появляется. Если из подобных микроэлементов создать линейку ПЗС (рис. 1.62, е), расположив их

54

как можно ближе друг к другу, или матрицу ПЗС, разместив микроэлементы геометрически равномерно по площади, «строка» за «строкой», то, проецируя на образованную таким образом фотоматрицу световое изображение, можно получить мозаичное, состоящее из множества отдельных зарядовых пакетов, электронное изображение. Это объясняется тем, что под каждым затвором будет иметься заряд, величина которого будет прямо пропорционально зависеть от степени освещенности области, где располагается данный конкретный затвор.

Полученное электронное изображение затем преобразуется в электрический сигнал (для этого надо измерить («считать») заряд, имеющийся под каждым элементарным затвором). Следует отметить, что приборы с зарядовой связью обладают одной особенностью: заряд, имеющийся, например, под затвором 1 (рисунок 1.62, д) легко может быть перемещен под затвор 2 рядом с ним расположенный. Для этого надо подать на затвор 2 напряжение большее, чем на затворе 1. Тогда электроны из-под затвора 1 переместятся под затвор 2, откуда они могут быть перемещены подобным же способом под затвор 3, затем затвор 4 (рисунок 1.62, е) и т.д., пока пакет электронов не достигнет стока и не уйдет в источник питания, создав на сопротивлении нагрузки падение напряжения. Так можно последовательно (или последовательно-параллельно) считать все образованное электронное изображение: элемент за элементом и строка за строкой.

Таким образом, на основе фотоматрицы из приборов с зарядовой связью может быть создан мозаичный преобразователь светового изображения в электронное, которое затем может быть преобразовано в электрический сигнал, несущий информацию о степени освещенности каждого участка исходного светового изображения. Фотоэлектрические преобразователи на основе ПЗС широко используются в электронике: в современном телевидении, цифровых фотоаппаратах, цифровых видеокамерах и сканерах.

55

Рисунок 1.63 - Оптрон с закрытым оптическим каналом: 1 – излучатель; 2 – оптически прозрачный клей; 3 – фотоприемник.

Излучатель и фотоприемник помещают в корпус и заливают оптически прозрачным клеем.

2) Оптроны с открытым оптическим каналом.

Оптрон с воздушным зазором между излучателем и фотоприемником изображен на рисунке 1.64.

Рисунок 1.64 - Оптрон с воздушным зазором

Оптрон с внешним объектом, при котором световой поток излучателя попадает в фотоприемник, отражаясь от какого-либо внешнего объекта изображен на рисунке 1.65.

Рисунок 1.65 - Оптрон с внешним объектом

Типы оптопар, их параметры и характеристики

1. Резисторные оптопары. Они имеют в качестве излучателя сверхмощную лампочку накаливания или светодиод. Приемником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Условное обозначение и схема включения резисторной оптопары показаны на рисунке 1.66.

Рисунок 1.66 -Условное обозначение и схема включения резисторной оптопары

Параметры резисторных оптопар:

1) мaксимальные токи (Iвхmax , Iвыхmax) и напряжения на входе и на выходе

(Uвхmax, Uвыхmax);

2) выходное сопротивление при нормальной работе (Rвых) и темновое выходное сопротивление (Rтвых);

57

3)сопротивление изоляции (Rизол);

4)время включения (tвкл) и выключения(tвыкл).

Характеристики:

1)входные ВАХ;

2)передаточная (Rвых = f (Iвых).

Резисторные оптопары применяются: для коммутации, для

автоматического регулирования усиления, для связи между каскадами усилителя, для управления бесконтактными делителями напряжения и т.д.

2. Диодные оптопары.

Они содержат обычно кремниевый фотодиод и арсенид-галлиевый светодиод (рис. 1.67).

Рисунок 1.67 - Условное обозначение и схема включения диодной оптопары

Параметры диодных оптопар:

1)входные и выходные напряжения и токи;

2)коэффициент передачи тока (т.е. Iвых / Iвх);

3)время нарастания и время схода выходного сигнала. Диодные оптопары применяются для:

- создания импульсных трансформаторов, не имеющих обмоток; - передачи сигналов между блоками РЭА; - управления работой микросхем.

3. Транзисторные оптопары.

Транзисторные оптопары имеют в качестве излучателя светодиод, а в качестве приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор (рис. 1.68).

Рисунок 1.68 - Условное обозначение и схема включения транзисторной оптопары

В качестве приемника может также использоваться однопереходный и полевой транзисторы.

Основные параметры транзисторных оптопар анологичны параметрам резисторных оптопар. Оптопары этого типа работают обычно в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, в устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, а также в качестве реле.

4. Тиристорные оптопары.

Они имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор (рис. 1.69).

Рисунок 1.69 - Условное обозначение и схема включения тиристорной оптопары

58

Тиристорные оптопары применяются в схемах для формирования мощных импульсов, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.

Параметры:

1)входные и выходные токи и напряжения;

2)время включения и выключения;

3)параметры изоляции между входной и выходной цепями.

Достоинства оптронов:

1)отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи

между фотоприемником и излучателем из-за высокого сопротивления изоляции;

2)широкая полоса частот колебаний пропускаемых оптроном;

3)высокая помехозащищенность оптического сигнала, т.е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;

4)возможность управления выходными сигналами путем воздействия на оптическую часть прибора.

Недостатки оптронов:

1)значительная потребляемая мощность (из-за того, что дважды происходит преобразование энергии);

2)большое влияние температуры и радиации на свойства оптронов;

3)заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени;

4)высокий уровень собственных шумов.

59

Раздел 2 Аналоговые устройства

Тема 2.1. Однофазные неуправляемые выпрямители

Структура, классификация и основные параметры выпрямителей

Для получения электрической энергии нужного вида часто приходится преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного тока (процесс выпрямления), либо энергию постоянного тока в энергию переменного тока (процесс инвертирования). Устройства, с помощью которых осуществляются такие преобразования, называются соответственно выпрямителями и инверторами. Выпрямители и инверторы являются вторичными источниками электропитания (ИВЭ).

КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ.

Выпрямители классифицируются по нескольким признакам:

1)по возможности управления: а) неуправляемые; б) управляемые;

2)по числу фаз первичного источника питания:

а) однофазные (выпрямители малой и средней мощности); б) многофазные, обычно 3-х фазные (выпрямители большой

мощности); 3) по форме выпрямленного напряжения:

а) однополупериодные; б) двухполупериодные.

ПАРАМЕТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ.

1)средние значения выпрямленных тока и напряжения Iнср. и Uнср ;

2)мощность нагрузочного устройства Pнср=Uнср·Iнср;

3)амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения Uосн.m.;

4)коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения p=Uосн m./Uнср.

5)КПД выпрямителя:

=Pн ср/( Pн ср+ Pтр+ Pд),

где Pтр – потери в трансформаторе; Рд – потери в диодах.

Рассмотрим структурную схему однофазного выпрямителя (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Структурная схема однофазного выпрямителя

В структурную схему входят следующие блоки: трансформатор Тр, вентильная группа ВГ, сглаживающий фильтр СФ, стабилизатор Ст, который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке Rн.

60