Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные и микропроцессорные устройства. Учебное пособие
.pdf
направо по порядку: первая цифра, вторая цифра, третья цифра (может
отсутствовать), множитель, допуск. Соответствие цветов маркировки
значениям номинальных сопротивлений и допусков указаны в таблице.
2. КОНДЕНСАТОРЫ
Конденсатор – это устройство, имеющее два вывода и обладающее
следующим свойством: Q = CU.
Простейший конденсатор состоит из двух проводников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, но не соприкасающихся между собой.
Конденсатор, имеющий емкость C фарад, к которому приложено
напряжение U вольт, накапливает заряд Q кулон на одной пластине
и
–Q кулон на другой. Пластины конденсатора разделены слоем ди-
электрика, причем чем больше диэлектрическая проницаемость слоя,
тем больший заряд может быть накоплен на обкладках конденсатора.
Конденсатор – более сложный элемент, чем резистор; ток пропор-
ционален скорости изменения напряжения:
dU
IC
Из формулы видно, что при синусоидальном напряжении на кон-
денсаторе ток опережает по фазе напряжение на 90°.
Емкость нескольких параллельно соединенных конденсаторов рав-
на сумме их емкостей:
С = С
+ С2. Для последовательного соединения
1
конденсаторов имеем такое же выражение, как для параллельного соединения резисторов:
.
dt
С = С1С
/ (С1 + С2).
2
Мощность, связанная с протекающим током, не обращается в тепло
как в резисторе, а сохраняется в виде энергии внутреннего электрического поля в конденсаторе.
По закону коммутации заряд на конденсаторе не может мгновенно
измениться. Для неизменной величины емкости можно сформулировать: напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может.
Это важное свойство
необходимо учитывать при рассмотрении работы
электронных схем.
Условное обозначение конденсаторов состоит из трех элементов.
11
Первый элемент – буква, определяющая подкласс конденсаторов:
К – конденсаторы постоянной емкости; КТ – подстроечные; КН – нелинейные; КС – конденсаторные сборки.
Второй элемент – число, определяющее группы конденсаторов по
виду диэлектрика.
Третий элемент – порядковый номер разработки конкретного типа
конденсатора.
Величина емкости конденсатора может быть выбрана из стандартного ряда Е24 при допускаемом отклонении
емом отклонении
10 %; Е6 – при допускаемом отклонении 20 % и
5 %; Е12 – при допуска-
выше. Ряды номинальных значений емкостей конденсаторов аналогичны рядам номинальных значений сопротивлений резисторов (по
ряду Е24).
Рис. 2. Дифференцирующая цепь
Дифференцирующая цепь. Рассмотрим прохождение импульсных
сигналов прямоугольной формы через простейшие цепи, содержащие
конденсатор. Если конденсатор включен последовательно с нагрузкой,
а выходное напряжение снимается с параллельно включенного резистора (рис. 2), то получается так называемая дифференцирующая цепь.
Напряжение на выходе такой схемы при подаче прямоугольного импульса на вход будет иметь вид, показанный на
рис. 2.
В начальный момент при скачке входного напряжения все напряжение падает на резисторе, так как напряжение на конденсаторе в
начальный момент неизменно. Через конденсатор протекает ток заряда, и напряжение на нем увеличивается. Поэтому, согласно второму
закону Кирхгофа, напряжение на резисторе, т. е. выходное напряжение, уменьшается. Время переходного процесса
зависит от постоянной
времени, равной произведению величины сопротивления на емкость:
= RC. Чем меньше постоянная времени, тем короче выходной им-
пульс.
12
При подаче на вход переменного (синусоидального) тока данную
схему можно рассматривать как фазосдвигающую цепь. Напряжение
на выходе сдвинуто по фазе на определенный угол, зависящий от параметров цепи, относительно входного напряжения. Более подробно
это рассматривалось в курсе «Теория электрических цепей».
Рис. 3. Интегрирующая цепь
Интегрирующая цепь. Если в предыдущей схеме резистор и кон-
денсатор поменять местами, то получится интегрирующая цепь
(рис. 3). Реакция на скачок входного напряжения показана на рис. 3.
Принцип работы похож на предыдущую схему, он основан на свойстве
конденсатора не изменять мгновенно величину напряжения.
3. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Конструктивно катушка индуктивности представляет собой провод, намотанный на сердечник (чаще всего железный). Сердечник позволяет увеличить индуктивность катушки за счет магнитных свойств
материала. Сердечник может иметь различную форму или вообще отсутствовать.
В индуктивности скорость изменения тока зависит от величины
приложенного напряжения:
dI
UL
.
dt
Отсюда возникает и другое свойство индуктивности: при изменении тока в ней возникает напряжение, называемое ЭДС самоиндукции,
причем направление ЭДС зависит от направления изменения тока.
Общее правило: ЭДС самоиндукции направлена на поддержание тока
неизменным, т. е. при возрастании тока ЭДС направлена навстречу
13
току, а при уменьшении – сонаправлена. Мощность, связанная с током,
сохраняется в виде энергии магнитного поля. Из-за наличия самоиндукции разрыв в цепи, содержащей индуктивность, ведет к возникновению электрической дуги в месте разрыва или может вызвать межвитковый пробой изоляции катушки.
Из формулы видно, что при синусоидальном напряжении на ин
дуктивности ток отстает по фазе от напряжения на 90°.
Между двумя близко расположенными катушками (обычно на одном сердечнике) существует электромагнитная связь. При возрастании
тока в первой катушке во второй наводится ЭДС взаимоиндукции, и
наоборот. Коэффициент, связывающий скорость изменения тока с величиной ЭДС взаимоиндукции, называется коэффициентом взаимоиндукции (
М). Единицей измерения, как и для индуктивности (L), являет-
ся генри.
Трансформатор. Устройство, состоящее из двух связанных кату-
шек индуктивности (называемых первичной и вторичной обмотками).
Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки, иное по сравнению с
напряжением переменного тока, поданным на первичную обмотку.
Причем коэффициент изменения (трансформации) напряжения прямо
пропорционален отношению числа витков обмоток, а коэффициент
трансформации тока – обратно пропорционален. Мощность сохраняется практически
неизменной благодаря высокому КПД (коэффициенту
полезного действия) трансформатора.
Повышающий трансформатор обеспечивает рост напряжения при
уменьшении тока, а понижающий трансформатор уменьшает напряжение при возрастании тока вторичной обмотки. Причем если вторичная
обмотка трансформатора не нагружена, то в первичной обмотке протекает очень малый ток.
Особый класс составляют так называемые импульсные трансформаторы
. Их коэффициент трансформации равен единице и предназначены они для работы на высоких частотах. При этом они имеют особую конструкцию и существенно меньшие потери. Основное назначение импульсных трансформаторов – потенциальная развязка электрических цепей, т. е. снижение взаимного влияния различных участков
электрических схем.
-
14
II. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное
электрическое сопротивление в пределах 10
ющие по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Физические основы проводимости полупроводников изучались в другом курсе и их можно найти в специальной
литературе. Здесь же приведены основные определения.
Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон
(в зоне проводимости)–дырка (в валентной зоне) получил
нерации собственных носителей заряда. Обратный процесс – рекомбинация возникает при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону. Среднее время между моментами генерации и рекомбинации называется временем жизни носителей заряда.
Введением донорных примесей (из V группы таблицы Менделеева,
имеющих на внешней оболочке большее число электронов) в полупроводник получают проводимость n-типа (negative).
При введении акцепторных примесей (из III группы таблицы Менделеева, имеющих на внешней оболочке меньшее число электронов) в
полупроводник получают проводимость
1. ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ p–n-ПЕРЕХОДА
Лавинный пробой. Данный тип пробоя обусловлен лавинным раз-
множением носителей заряда в
ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Неосновные носители
заряда при действии обратного напряжения поступают в
ускоряются полем и при движении сталкиваются с атомами кристаллической решетки и вызывают образование новых носителей заряда.
Лавинный пробой возникает в широких
Туннельный пробой. В его основе лежит непосредственный отрыв ва-
лентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием
сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные
носители заряда увеличивают обратный ток через
ный пробой развивается в узких
лых напряжениях возникает высокая напряженность поля.
Оба вида пробоя (как лавинный, так и туннельный) являются обратимыми процессами, т. е. при снижении напряжения свойства диода
сохраняются.
p–n-переходе в результате ударной
p–n-переходах, где при относительно ма-
–3
…104 Ом см и занима-
p-типа (positive).
p–n-переходах.
p–n-переход. Туннель-
название ге-
p–n-переход,
15
Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации
носителей в
ры. Процесс лавинообразный и ввиду неоднородности
p–n-переходе при недопустимом превышении температу-
p–n-перехода
носит локальный характер. Заканчивается процесс расплавлением этого участка и выходом прибора из строя.
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Это полупроводниковые приборы с двумя выводами, в которых
используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других параметров. Рассмотрим кратко основные типы полупроводниковых резисторов.
Линейный резистор. Его сопротивление практически постоянно в
широком диапазоне изменения токов и напряжений, он практически не
отличается от обычного резистора. Используется в основном в интегральных микросхемах.
Варистор. Сопротивление варистора зависит от приложенного
напряжения, его ВАХ (вольт-амперная характеристика) – нелинейна.
Основной параметр – коэффициент нелинейности
//UI R
dU dI R
.
д
Терморезистор. Сопротивление терморезисторов зависит от тем-
пературы, причем различают два типа терморезисторов: термисторы –
с ростом температуры их сопротивление уменьшается и позисторы – с
ростом температуры их сопротивление возрастает. Основной параметр – температурный коэффициент сопротивления
dR
1
T
.
Rdt
T
100
Фоторезистор. Его электрическая проводимость изменяется при
воздействии оптического излучения. Эти резисторы относительно
инерционны. Основными параметрами являются: длина волны
max
,
соответствующая максимальной чувствительности, и порог фотоэффекта, равный длине волны λ
, при котором чувствительность состав-
0
ляет 1 % от максимальной.
16
Тензорезистор. Его сопротивление зависит от механической де-
R
формации. Основные параметры – номинальное сопротивление и коэффициент тензочувствительности:
/
R
k
/
LL
.
3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя
слоями проводимости, заключенный в корпус и снабженный двумя
выводами (анод и катод) для присоединения во внешнюю цепь.
В основе структуры диода лежит p–n-переход. Более детально физику процессов можно посмотреть в специальной литературе. Здесь же
рассмотрим основные характеристики, интересующие нас как потребителей
стика (ВАХ) диода представлена на рис. 4. На ВАХ диода имеются
два рабочих участка.
электронных схем. Упрощенная вольт-амперная характери-
Рис. 4. ВАХ диода
Первый участок – когда диод открыт, т.е. через него протекает ток,
падение напряжения на диоде составляет определенную величину
(в зависимости от диода), практически не зависящую от величины тока. И второй – диод закрыт, т. е. ток равен нулю. При увеличении обратного напряжения выше максимально допустимого произойдут
электрический пробой и
выход диода из строя (участок 3).
Основные параметры диодов:
– максимально допустимый прямой ток диода (I
– максимально допустимое обратное напряжение (U
17
пр max
);
обр max
);
– обратный ток диода (I
– прямое напряжение (U
обр
);
).
пр
Максимально допустимые параметры характеризуют диапазон
нормальной работы прибора; обратный ток – это ток утечки в закрытом состоянии (составляет доли процента от номинального тока); а
прямое напряжение показывает, сколько вольт падает на диоде в открытом состоянии, приводится для определенного значения тока.
Таким образом, диод имеет одностороннюю проводимость в направлении,
показанном стрелкой на условно-графическом изображении (рис. 4) от анода к катоду. Это свойство диода широко применяется в выпрямителях – устройствах, преобразующих переменный ток в
постоянный. Диод открывается, когда потенциал анода становится
больше потенциала катода; закрывается, когда потенциал анода становится меньше потенциала катода.
Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, напряжение на
котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который
служит для стабилизации напряжения.
Рис. 5. ВАХ стабилитрона
ВАХ стабилитрона показана на рис. 5. Имеется три характерных
участка. Первый и второй участки аналогичны соответствующим
участкам диода. При достижении определенного обратного напряжения, называемого напряжением стабилизации, происходит электрический пробой p–n-перехода, и стабилитрон открыт для протекания обратного тока (участок 3). Отличие стабилизатора от диода состоит в
том, что этот участок
является рабочим участком стабилитрона и не
приводит к разрушению, если ток не превышает максимально допустимого.
18
Основные параметры стабилитрона:
– напряжение на участке стабилизации (U
– максимальный ток стабилизации (I
ст max
).
);
ст
Стабилитроны допускают последовательное включение, причем
общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации отдельных стабилитронов. Параллельное включение стабилитронов недопустимо.
Простейшая схема стабилизатора напряжения с использованием
стабилитрона изображена на рис. 6. При превышении напряжения на
входе величины U
стабилитрон открывается и с него снимается неиз-
ст
менное выходное напряжение. От источника входного сигнала по цепи
резистор–стабилитрон протекает ток. Согласно второму закону Кирхгофа при неизменном напряжении стабилитрона (U
) повышение
ст
входного напряжения приведет к повышению падения напряжения на
резисторе, при этом выход останется неизменным. Данный резистор (R) также ограничивает ток стабилитрона меньше максимально
допустимого.
Рис. 6. Стабилизатор напряжения
Из логики работы стабилитрона видно, что он не способен стабилизировать понижение напряжения, поэтому при разработке схем стабилизаторов необходимо правильно выбирать напряжение стабилизации.
Далее обзорно рассмотрим некоторые типы полупроводниковых
диодов без рассмотрения их характеристик.
Туннельный диод. Полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит
к появлению на ВАХ при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электропроводностью. Используется в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях.
Обращенный диод. Полупроводниковый диод с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратных напряжениях вследствие туннельного эффекта значительно
19
больше, чем при прямом напряжении. Это разновидность туннельных
диодов, у которых ток пика равен нулю. Таким образом, обращенные
диоды обладают вентильными свойствами в той области, где обычные
диоды вентильными свойствами не обладают.
Варикап
. Полупроводниковый диод, в котором используется зави-
симость емкости p–n-перехода от обратного напряжения, предназначен
для применения в качестве элемента с электрически регулируемой емкостью. Основные параметры: общая емкость и коэффициент перекрытия по емкости:
k
= С
с
max
/ С
min
.
Фотодиоды. В них используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами или дырками) в запирающем слое
p–n-перехода. В фотодиоде при освещении p–n-перехода возникает
обратный ток. В фотоэлементе при освещении p–n-перехода возникает
обратное напряжение. В светодиоде в режиме прямого тока в p–n-переходе
возникает видимое или инфракрасное излучение.
Магнитодиод. Полупроводниковый диод, в котором используется
изменение ВАХ при действии магнитного поля. Основной параметр –
чувствительность:
пр
/( )UBI
.
Тензодиод. Полупроводниковый диод, в котором ВАХ изменяется
под действием механических деформаций.
Условные обозначения диодов
В настоящее время условное обозначение полупроводниковых диодов состоит из пяти элементов.
Первый элемент – исходный полупроводниковый материал: «Г»
или «1» – германий; «К» или «2» – кремний; «А» или «3» – галлий;
«И» или «4» – индий.
Второй элемент – буква, определяющая подкласс приборов: «А» –
СВЧ диоды; «В» – варикапы; «Г» – генераторы шума; «Д» – диоды
выпрямительные, импульсные, магнитодиоды, термодиоды; «И» –
туннельные диоды; «Л» – излучающие оптоэлектронные приборы;
«Н» – диодные тиристоры; «О» – оптопары; «С» – стабилитроны;
«У» – триодные тиристоры; «Ф» – фотоприборы; «Ц» – выпрямительные столбы и блоки.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]