Теоретические основы электротехники и электроники. Практикум

жиме меньше времени развития вторичного пробоя, то вторичный пробой не возникает. Поэтому при коротких длительностях импульсов тока в транзисторе вторичный пробой может и не развиться.

Исследования показали, что при развитии вторичного пробоя (во время задержки) в цепи базы могут возникать автоколебания сравнительно высокой частоты, которые могут быть использованы для предсказания опасного значения тока и защиты транзистора. Вторичный пробой отсутствует в полевых транзисторах.

Пропускная способность устройств выборки и хранения — см.

устройства выборки и хранения.

Р

Разрешающая способность аналого-цифровых преобразователей —

см. аналого-цифровые преобразователи.

Разрешающая способность цифро-аналоговых преобразователей —

см. цифро-аналоговые преобразователи.

Регистры сдвига. Триггерным регистром сдвига называют совокупность триггеров с определенными связями между ними, при которых они действуют как единое устройство. В регистрах сдвига организация этих связей такова, что при подаче тактового импульса, общего для всех триггеров, выходное состояние каждого триггера сдвигается в соседний. В зависимости от организации связей этот сдвиг может происходить влево или вправо. Ввод информации в регистр может выполняться различными способами, однако наиболее часто используют параллельный или последовательный ввод, при которых ввод двоичного числа осуществляется или одновременно во все разряды регистра, или последовательно во времени по отдельным разрядам. В счетчиках импульсов находят применение сдвигающие регистры с последовательным вводом и выводом и со сдвигом вправо. Сдвиговые регистры можно реализовать также на D-триггерах или JK-триггерах.

Для всех регистров сдвига характерны следующие положения: необходима предварительная установка исходного состояние и ввод единицы в первый триггер и для регистра из n триггеров после поступления n входных тактовых импульсов первоначально введенная единица выводится, вследствие чего прямые выходы всех регистров оказывается в нулевом состоянии.

Интегральные микросхемы регистров сдвига бывают реверсивными, то есть выполняющими сдвиг в любом направлении: вправо или влево. Направление сдвига определяется значением управляющего сигнала.

41

Регистры сдвига применяют в качестве запоминающих устройств, в качестве преобразователей последовательного кода в параллельный, в качестве устройств задержки и счетчиков импульсов. Применение регистров сдвига в качестве счетчиков очень неэкономично, так как модуль счета Kс = n, в то время как для двоичных счетчиков Kс = 2n.

С

Светоизлучающие диоды — преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, то есть без светового излучения. Такая рекомбинация называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот.

Силовые полупроводниковые приборы — это управляемые приборы,

используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме.

Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим: малые потери при коммутации; большая скорость переключения из одного состояния в другое; малое потребление по цепи управления; большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы, мощные биполярные и униполярные транзисторы, специальные биполярные транзисторы с изолированным затвором и специальные транзисторы со статической индукцией.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры).

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором.

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод положительного импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора.

42

Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления.

Синхронные амплитудные детекторы, так же как и детекторы с иде-

альными диодами, способны обеспечить минимальные искажения демодулированного сигнала. Принцип действия синхронного демодулятора основан на перемножении амплитудно-демодулированного сигнала с последовательностью прямоугольных импульсов, синхронных и синфазных с колебанием несущей частоты. Основным звеном такого демодулятора является перемножитель напряжений.

Скорость изменения выходного напряжения устройств выборки и хранения — см. устройства выборки и хранения.

Стабилизатор напряжения — устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.

По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают одно каскадными, многокаскадными и мостовыми.

Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те, и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др.

Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость. Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке.

Стабилизатор с последовательным включением регулирующего элемента называют сериесным, а с параллельным включением — шунтовым. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В им-

43

пульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме. По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1 Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт).

Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания малых ЭВМ и маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др.

По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения не более 0,005 %), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005 %), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01 %) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,1 %). В прецизионных стабилизаторах для получения наивысшей точности поддержания выходного напряжения используются специальные устройства, исключающие влияние изменения температуры окружающей среды (термостаты или криостаты).

Параметры стабилизаторов напряжения позволяют сравнивать их по качеству работы, выбирать те, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации электронных устройств. К таким параметрам относят: номинальное выходное напряжение, диапазон изменения входного напряжения, диапазон изменения тока нагрузки, коэффициент полезного действия, коэффициент нестабильности по напряжению и коэффициент нестабильности по току, коэффициент сглаживания пульсаций и быстродействие.

Кроме эксплуатационных, используются также расчетные параметры, которые необходимы при проектировании стабилизаторов с заданными свойствами. К таким параметрам относят: дифференциальное выходное сопротивление, температурный коэффициент напряжения, напряжение шумов, временной дрейф выходного напряжения и некоторые другие.

Стабилитрон — это разновидность полупроводникового диода специального типа. Стабилитрон — полупроводник диод, вольт-амперная характеристика которого имеет участок малой зависимости приложенного напряжения от тока, протекающего через него. Такой участок лежит на обратной ветви вольт-амперной характеристики и возникает в результате пробоя диода.

Стабилитрон — полупроводник диод, работающий в режиме лавинного пробоя. Напряжение стабилизации стабилитрона зависит от температуры. Стабилитроны, предназначенные для стабилизации двухполярного напряжения, называются двуханодные стабилитроны.

44

Стабистор — это разновидность полупроводникового диода специального типа. Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжения. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами.

Статический индукционный транзистор представляет собой полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, который может работать как при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение.

В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания не основных носителей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

Счетчики Джонсона. Разновидностью кольцевых счетчиков являются счетчики Джонсона. В этих счетчиках вход регистра соединен не с выходом Q,

ас инверсным выходом Q. В результате, когда на вход счетчика поступают тактовые импульсы, то вначале все разряды счетчика заполняются единицами,

азатем — нулями. Модуль счета счетчика Джонсона в два раза больше модуля счета простого кольцевого счетчика, то есть Kс = 2n. В счетчиках Джонсона, как и в других кольцевых счетчиках, могут быть сбои, вызванные помехами. Для коррекции нарушений, вызванных сбоями, также используются способы, с помощью которых производится переход из любой запрещенной комбинации в одну из разрешенных.

Счетчики Джонсона широко используются в делителях частоты импульсов, генераторах случайных чисел, в устройствах памяти и так далее. На базе счетчика Джонсона можно легко реализовать счетчики с любым четным модулем счета.

Счетчики импульсов и регистры. Счетчиком называют цифровое устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов. В процессе работы счетчик последовательно изменяет свое состояние в определенном порядке. Длина списка разрешенных состояний счетчика называется модулем счета Kс. Одно из возможных состояний счетчика принимается за начальное. Если счетчик начал счет от начального состояния, то каждый импульс, кратный модулю счета Kс, снова устанавливает счетчик в начальное состояние, а на выходе счетчика появляется сигнал переноса Р (или займа Z).

45

Последовательность внутренних состояний счетчика можно кодировать различными способами. Чаще всего используют двоичное (двоичные счетчики) или двоично-десятичное (декадные счетчики) кодирование. Кроме этого, находят применение счетчики с одинарным кодированием, когда состояние счетчика представлено местом расположения одной-единственной единицы или одного-единственного нуля (кольцевые счетчики), и унитарное кодирование, когда состояние счетчика представлено числом единиц или нулей (счетчики Джонсона).

Если коды расположены в возрастающем порядке, то счетчик называют суммирующим (Up-counter). Счетчики, у которых коды расположены в убывающем порядке, называют вычитающими (Down-counter), а счетчики, у которых направление перебора кода может изменяться, называют реверсивными

(Up/Down counter).

Если для работы счетчика требуется наличие синхросигнала, то такой счетчик называют синхронным. Счетчики, которые работают без синхросигналов, называют асинхронными.

Счетчики могут быть с предварительной установкой и без нее. Для предварительной установки начального состояния счетчика используются специальные входы предустановки. Установка начального состояния счетчика производится только по специальной команде записи. Во время работы счетчика в счетном режиме входы предустановки блокируются и на работу счетчика не влияют. Счетчики с предварительной установкой называют также программируемыми, так как они позволяют изменять модуль счета Kс.

По структуре счетчики делятся на последовательные (каскадные), параллельные и параллельно-последовательные, которые отличаются способом подачи счетных импульсов на входы разрядов счетчика. В последовательном счетчике счетные импульсы поступают только на вход первого разряда, а с его выхода переходят на вход второго разряда. Таким образом, вход каждого последующего разряда счетчика соединен с выходом предыдущего. В параллельном счетчик счетные импульсы одновременно поступают на входы всех разрядов счетчика, однако благодаря внутренней организации счетчика каждому счетному импульс соответствует срабатывание только определенных разрядов.

Для получения больших значений модуля пересчета используют каскадное соединение параллельных счетчиков. Такие параллельно-последовательные счетчики имеют более высокое быстродействие, чем последовательные, и требуют меньших аппаратурных затрат.

46

Асинхронный суммирующий счетчик можно выполнить на счетных триггерах любого типа. В большинстве случаев для этих целей используют JKили D-триггеры в счетном режиме. Простейший четырехразрядный счетчик на D-триггерах состоит из соединенных последовательно четырех счетных триггеров, таким образом, что выход каждого триггера соединен с входом последующего. При поступлении счетных импульсов на вход триггеры счетчика будут изменять свои состояния, описываемые последовательно возрастающими двоичными числами.

Для построения синхронных счетчиков используют различные типы счетных синхронных триггеров. Схемы таких счетчиков реализованы на синхронных счетных триггерах и логических элементах И для формирования сигналов переноса Р или займа Z, схема одноразрядного синхронного суммирующего счетчика, приведенная на рис. 2а, реализована подключением счетного входа С1 к счетному входу триггера, а для формирования сигнала переноса Р использовано логическое произведение сигнала разрешения счета V и выходного сигнала Q, т.е. Р = VQ. Переключение триггера происходит по положительному перепаду сигнала на входе С и при наличии сигнала разрешения на входе V. При этом на выходе триггера Q и выходе переноса Р устанавливаются уровни логической единицы. При отрицательном перепаде сигнала на входе С состояние триггера не изменяется. Очередное переключение триггера произойдет только по новому положительному перепаду импульса на входе С, при наличии сигнала разрешения на входе V. Таким образом, счетная ячейка обеспечивает синхронное деление на два частоты входных импульсов.

Рис. 2. Схемы одноразрядных синхронных счетчиков: а — суммирующего; б — вычитающего

47

Схема электрической цепи — графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов.

Т

Тепловое сопротивление — см. пробой транзистора.

Тепловой пробой — см. пробой транзистора.

Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n- перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число неосновных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению обратного тока, что приводит к еще большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.

Тетроды — электронная лампа с двумя сетками. Одна из сеток является управляющей и имеет отрицательное напряжение. Другая сетка располагается либо между управляющей стекой и катодом и называется катодной сеткой, либо между управляющей сеткой и анодом, и в этом случае называется экранирующей.

Тиристор — полупроводниковый прибор, реализующий один из способов включения четырехслойной структуры. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзисторов Т1 и Т2. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится, и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. При увеличении тока управления тиристора снижается его напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения. После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью включить тиристор нельзя.

Основные схемы включения тиристора такие же, как и у динистора. Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения. Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. Потери при протекании прямого и обратного тока рассчитываются также, как и в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

48

Ток насыщения — см. обратный ток в р-п-переходе. Ток проводимости — см. обратный ток в р-п-переходе. Токовый пробой — см. пробой транзистора.

Транзисторы — это полупроводниковые приборы с тремя и более выходами, предназначенные для усиления и генерации электрических сигналов. Транзисторы имеют три вывода: выходной, общий и входной для подачи управляющего сигнала.

Трехточечные генераторы. Кроме генераторов с трансформаторной связью широко применяются схемы, получившие название трехточечных. В этих схемах учтены два основных положения, которые были установлены ранее: 1) для выполнения условия баланса фаз напряжения, действующие на затворе (или базе) и стоке (или коллекторе), должны быть в противофазе; 2) для выполнения баланса амплитуд к затвору (или базе) подводится только часть напряжения на контуре.

Триггеры — большой класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. В отличие от комбинационных логических схем, триггеры — это логические устройства с памятью. Их выходные сигналы в общем случае зависят не только от сигналов, приложенных к входам в данный момент времени, но и от сигналов, воздействовавших на них ранее. В зависимости от свойств, числа и назначения входов триггеры можно разделить на несколько видов. Триггер можно представить в общем случае как устройство, состоящее из ячейки памяти и логического устройства управления, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых ячейка памяти принимает одно из двух устойчивых состояний. Информационные сигналы (рис. 3) поступают на входы А и В логического устройства и преобразуются; в сигналы, поступающие на внутренние входы S' и R' ячейки памяти.

Рис. 3. Обобщенное устройство триггера

49

Триод — электронная лампа, у которой между анодом и катодом расположена сетка. Этот третий электрод предназначен для регулирования тока анода. Напряжение на сетке изменяет поле между анодом и катодом и таким образом влияет на ток анода. Если напряжение на сетке отрицательно по отношению к катоду, то она оказывает тормозящее действие на электроны, эмитируемые катодом, в результате анодный ток уменьшается. При положительном напряжении на сетке она оказывает ускоряющее действие на электроны, увеличивая анодный ток. При этом часть электронов попадает на сетку, создавая сеточный ток. Следовательно, сетка является управляющим электродом, напряжение на котором позволяет изменять ток анода.

Т-триггер, или счетный триггер, изменяет состояние выхода по фронту импульса на входе С. Кроме синхровхода С Т-триггер может иметь подготовительный вход Т, Сигнал на этом входе разрешает (при Т = 1) или запрещает (при Т = 0) срабатывание триггера от фронтов импульсов на входе С. Функционирование Т-тригтера определяется уравнением: Qn = (Q/T+Q/T)n–1. Из этого уравнения следует, что при Т-1 соответствующий фронт сигнала на входе С переводит триггер в противоположное состояние. Частота изменения потенциала на выход Т-триггера в два раза меньше частоты импульсов на входе С. Это свойство Т-триггера позволяет строить на их основе двоичные счетчики. Поэтому эти триггеры и называют счетными. Счетный триггер без входа Т ведет себя так же, как и Т-триггер при Т = 1.

Туннельный диод — это разновидность полупроводникового диода специального типа. Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n-переход. При этом начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньше контактной разности потенциалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При этом через такой узкий переход протекает значительный ток. На границе сильнолегированных p-n- областей имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что на прямой ветви вольт-амперной характеристики диода появляется участок с отрицательным сопротивлением. Обратная ветвь такого диода практически отсутствует, т.е. при малых обратных напряжениях начинается туннельный пробой, а отсюда резкое возрастание обратного тока. Участок с отрицательным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации электрических сигналов. Туннельный диод, включен параллельно колебательному контуру и обладает отрицательным сопротивлением, это сопротивление компенсирует положительное сопротивление потерь контура, в результате чего

50