Введение в электронику. Учебное пособие

3

Введение

Последние десятилетия характеризуются широким внедрением средств электроники и в первую очередь микроэлектроники, практически во все области человеческой деятельности. При этом радикально снижаются относительная стоимость электронных устройств, их абсолютные массогабаритные характеристики и значительно повышается надежность работы. Усложнение интегральных микросхем (ИМС), достигаемое увеличением степени их интеграции, привело к тому, что появились принципиально новые возможности для решения функционально сложных задач, которые были нереализуемы при помощи ранее существовавшей транзисторной схемотехники и транзисторных устройств и систем. Это определило существование революционизирующего прогресса в области использования электроники, что в полной мере относится и к железнодорожному транспорту. В настоящее время невозможно представить себе работу различных отраслей железнодорожного транспорта без компьютеров или IT-систем и устройств. Электронная аппаратура той или иной степени сложности, включая микропроцессорную, применяется в путевом и вагонном хозяйстве, электроснабжении и др. Электронная аппаратура, которой оборудованы локомотивы, используется для реализации сложных и ответственных функций, например, автоведения поезда. Происходит широкая модернизация устройств СЦБ, обеспечивающих процессы регулирования движения поездов

ибезопасность движения. Электротехническое оборудование пассажирских вагонов немыслимо без электронных приборов, выполняющих самые разнообразные функции (безопасность движения, пожарная безопасность, связь, обеспечение надлежащих бытовых условий пассажиров и т.д.). Список областей использования электроники в различных областях железнодорожного транспорта может быть продолжен. Этому посвящены специальные курсы лекций

ипрактических занятий выпускных кафедр соответствующих специальностей университета.

4

1.Классификация

иструктурный состав полупроводниковых приборов электроники

Схема структурного состава полупроводниковых приборов электроники, описываемых в настоящем учебном пособии, приведена на рисунке 1.1. Далее не рассматриваются такие элементы электроники, как резисторы, конденсаторы, трансформаторы и другие индуктивные элементы, изучение которых выполнено в предыдущих теоретических и практических курсах ТОЭ (электротехники), электрических машин и на практических занятиях в электромонтажных мастерских.

Полупроводниковые приборы

Рисунок 1.1 — Структурная схема полупроводниковых приборов

Как видно из схемы рисунка 1.1, здесь рассматривается нескольких основных групп полупроводниковых приборов, которые подразделяются на описанные далее соответствующие подгруппы.

5

1.Классификация и структурный состав полупроводниковых приборов электроники

Кпервой группе относятся диоды. Область их применения широка — от маломощных электронных схем преобразования информации до устройств силовой электроники самых различных величин преобразуемых мощностей, в том числе используемых на тяговых подстанциях и на локомотивах. Светодиоды и фотодиоды в настоящее время полностью вытеснили лампы накаливания, которые ранее использовались для индикации, ввода и вывода визуальной информации в электронной и электротехнической аппаратуре и в функционально сложных устройствах отображения информации. Эти полупроводниковые элементы являются обязательными элементами современных оптоэлектронных устройств и систем. Солнечные батареи используются в качестве источников электропитания в бытовой и промышленной электронике. Они являются перспективными источниками электроэнергии для стационарных и автономных объектов, не имеющих, в частности, гарантированных промышленных электросетей. Применение солнечных батарей и реализованных на их основе солнечных электростанций актуально для некоторых объектов железнодорожного транспорта, например, удаленных от надежных источников электроснабжения.

Вторая группа полупроводниковых приборов — стабилитроны и стабисторы; предназначены для стабилизации преимущественно постоянных напряжений относительно небольших мощностей, лежащих в диапазоне долей-единиц ватт. Наиболее часто стабилитроны используются в качестве прецизионных (опорных) источников в функционально сложных схемах источников вторичного электропитания и драйверов интеллектуальных силовых модулей, выполненных, например, в виде аналоговых ИМС. Они же применяются для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений и как составной элемент могут входить в состав ИМС.

В следующую группу полупроводниковых приборов входят транзисторы, которые так же, как диоды, являются наиболее широко применяющимися элементами электронной схемотехники. Они позволяют реализовывать самые различные электронные схемы как маломощные информационные, так и силовые — до преобразуемых мощностей в несколько десятков-сотен ватт до единиц киловатт. Известны два типа полупроводниковых структур, на основе которых реализуются транзисторы, — биполярные и полевые (МОП), которые отличаются друг от друга областями применения и электрическими параметрами. Биполярные структуры позволяют реализовать класс фототранзисторов, которые используются в основ-

6

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

ном для определения геометрических размеров объектов и уровней сыпучих и жидких грузов, а также для передачи аналоговых и импульсных сигналов с гальванической развязкой.

Тиристоры, образующие следующую группу полупроводниковых приборов, отличаются от транзисторов свойством неполной управляемости, что определяет необходимость применения специальных методов или схем для управления ими. Областью применения тиристоров является преобразование больших электрических мощностей — от нескольких киловатт до единиц мегаватт. Это относится к аппаратуре тяговых подстанций и мощных преобразователей локомотивов и пассажирских вагонов. В настоящем пособии рассматриваются только классические (незапираемые по управляющему электроду) тиристоры. Более подробно другие типы тиристоров рассматриваются на последующих курсах при изучении специальных дисциплин выпускающих кафедр. Рассматриваются фототиристоры, управляемые по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС), они используются для управления высоковольтными энергосистемами переменного тока большой мощности.

Отдельная группа приборов — специальные типы полупроводниковых приборов. К ним относятся варикапы, магнитодиоды, датчики Холла и лазерные диоды, которые применяются в различных устройствах железнодорожной электроники. Варикапы являются конденсаторами с изменяемой по аналоговому сигналу емкостью. Поэтому они применяются в системах, где требуется, например, изменение резонансной частоты LC-контуров. Электронные приборы с использованием датчиков Холла и магнитодиодов используются для преобразования аналоговых и импульсных сигналов в системах автоматического регулирования, а также для измерения токов и магнитных полей, определения габаритов или продвижения грузов и подвижного состава и для диагностики исправности вагонов. К этой же группе относятся и специальные типы транзисторов, в которых совмещаются как биполярные, так и полевые структуры, что позволяет реализовать значительно более мощные полупроводниковые приборы для преобразования мощностей в десятки-сот- ни киловатт и более.

Последняя группа полупроводниковых приборов — интегральные микросхемы, наиболее перспективные и развитые элементы электроники, которые широко применяются в самых различных областях промышленности, связи, транспорта, медицины, сельского хозяйства и др. За последние десятилетия осуществляется замена

7

1. Классификация и структурный состав полупроводниковых приборов электроники

электронных схем, реализованных на дискретных элементах — транзисторах, диодах, резисторах, конденсаторах и пр., — на устройства с ИМС. Два основных вида ИМС — аналоговые и логические используются для преобразования электрических сигналов различного вида. За последнее время происходит цифровизация электрон-

ных приборов и систем, то есть замена аналоговых методов преобразования информации на цифровые. Примером тому служат мобильные телефоны, цифровое телевидение и т.п. Существование двух типов наиболее широко применяющихся полупроводниковых структур определяет наличие двух видов принципиально различных ИМС — биполярных и КМОП, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Оптоэлектронные ИМС, реализация которых возможна только на биполярных структурах, широко применяются в электронных устройствах и системах для осуществления гальванической развязки электрических сигналов или для передачи оптических сигналов. Они же применяются в современных сложных цифровых вычислительных системах преобразования информации и передачи ее по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Подобные сети передачи и преобразования информации в настоящее время широко внедряются на железнодорожном транспорте.

8

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

2.1.Диоды

Полупроводниковый диод — это элемент, имеющий два вывода: анод и катод. Функциональным назначением диода является пропускание электрического тока при приложении к нему напряжения прямой полярности (включенное состояние диода) и обеспечениезапертого(выключенного)состоя-

личного назначения. В частности, диоды являются основным элементом выпрямителей переменного

напряжения. Диоды, например, применяются в источниках электропитания, импульсных электронных схемах для переключения токов и напряжений, аналоговых линейных и нелинейных устройствах усиления электрических сигналов и др.

Все полупроводниковые диоды можно условно разделить на две основные группы: силовые и маломощные. Силовые диоды используются для применения в преобразовательных устройствах с токами

9

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

в несколько единиц-десятков ампер и напряжениями в сотни вольт. К маломощным относятся диоды на токи в единицы десятки миллиампер и напряжения в несколько единиц-десятков вольт.

Свойство односторонней электрической проводимости диода обеспечивается благодаря использованию специальных полупроводниковых структур, обладающих специфическими свойствами. Существуют два основных типа полупроводниковых диодов, которые, несмотря на то, что имеют одно и то же функциональное назначение, отличаются физическими принципами действия. Это диоды с p-n переходом и диоды Шоттки. Различие между ними заключается в электрических параметрах и возможных областях применения в электронной аппаратуре.

2.1.1. Диоды с p-n переходом

Полупроводниковые диоды с p-n переходом могут быть реализованы на двух видах полупроводников: германиевых (Ge) и кремниевых (Si). В подавляющем большинстве случаев используются кремниевые диоды, так как они обладают лучшими электрическими и эксплуатационными характеристиками. Поэтому материалы, излагаемые в настоящем пособии по диодам, транзисторам и ИМС, относятся, за исключением особых случаев, к кремниевым полупроводниковым приборам.

Практические свойства односторонней проводимости диода с p-n переходом иллюстрируются его статической вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рисунок 2.2).

ВАХ диода имеет две функционально отличные области. Первая из них — область прямой проводимости, соответствует включенному состоянию диода, когда через него протекает прямой ток Iпр (рисунок 2.2). В этом случае полярность напряжения, прикладываемая к нему, соответствует той, которая показана на схеме условного обозначения диода (см. рисунок 1.2). Для идеального диода в области прямой проводимости должно выполняться равенство по величине напряжения: Uпр = 0, а в области обратной проводимости диода — по величине тока: Iобр = 0. В этом случае мощность, рассеиваемая диодом при протекании по нему тока Iпр, равна: Pд = Iпр, Uпр = 0, что определяет КПД схемы идеального выпрямителя на идеальном диоде: h = 100%.

10