Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Конспект лекций
.pdf
32
Крутизна анодно-сеточной характеристики, мА/В, показывает, на сколько
1
i
SR
ампер изменяется анодный ток при изменении сеточного напряжения на 1 В:
S = ΔIa / ΔUc
при Ua = const. Для триодов S = 1…200 мА/В.
Внутреннее сопротивление, кОм,
Ri = ΔUa / ΔIa
при Uc = const. Внутреннее сопротивление характеризует влияние анодного напряжения на анодный ток. Эти три параметра триода связаны между собой
уравнением
.
Триоды классифицируют по назначению: для усиления напряжения низких частот (для предварительного усиления слабых сигналов); для получения
низкочастотного сигнала на выходе оконечного каскада усиления; для усиления
(генерирования) сигналов высоких (радио) частот.
К основным достоинствам электровакуумного триода, так же как и других электровакуумных приборов, относится большая стабильность их параметров к внешним воздействиям (в первую очередь температуре), чем у функционально аналогичных полупроводниковых приборов.
Для практического применения триодов в реальных схемах используется
возможность быстрого, практически безынерционного, управления величиной
анодного тока Iа напряжениями, приложенными к электродам триода.
Выше было показано, что анодный ток триода в μ раз сильнее зависит от
напряжения на сетке, чем от анодного. Это свойство триода позволяет использовать его для усиления электрических колебаний.
Простейшая схема усилителя показана на рис.4.4. К участку сетка-катод
лампы (вход усилителя) подводится два напряжения: переменное UВХ, подлежащее усилению, и постоянное отрицательное ЕСМ – напряжение смещения.
33
U
E
E
+
+
-
-
R
A
A
ВХ
СМ
Рис. 4.4. Схема простейшего электронного усилителя, выполненного на вакуумном триоде:
UВХ - переменное напряжение, подлежащее усилению; ЕСМ - постоянное отрицательное
напряжение смещения; ЕА – напряжение питания анодной цепи; RA - нагрузка
Величина ЕСМ должна быть больше или равна амплитуде переменного
напряжения U
| ECM | ≥ U
М ВХ
М ВХ
.
При выполнении этого условия суммарное напряжение на сетке триода
остается все время отрицательным. Это обеспечивает работу лампы без сеточных токов, а, следовательно, без потерь энергии в цепи сетки. Напряжение
смещения задает рабочую точку усилителя, которая определяет режим покоя,
т.е. режим, получающийся в отсутствии на входе переменного напряжения.
Изменения сеточного напряжения приводят к изменениям анодного тока.
Если изменения напряжения входного сигнала не выходят за пределы прямолинейного участка динамической характеристики лампы, то анодный ток будет
изменяться строго пропорционально колебаниям сеточного напряжения. Для
соблюдения прямой пропорциональной зависимости между анодным током и
выходным напряжением рабочую точку выбирают на середине прямолинейного
участка характеристики.
Основным параметром, характеризующим работу лампового усилителя,
является динамический коэффициент усиления каскада К, представляющий
собой отношение переменного напряжения на выходе к переменному напряже-
34
нию входного сигнала, выраженных либо в амплитудах, либо в действующих
ВХ
ВЫХ
U
U
K
ia
a
RR
R
K
значениях:
.
Коэффициент усиления каскада К усилителя на сопротивлениях может
быть определен по следующей формуле:
,
где μ – статический коэффициент лампы, применяемой в каскаде;
RА – сопротивление нагрузки в анодной цепи;
Ri – внутреннее сопротивление лампы.
Для уменьшения связи между цепями управления и нагрузки через емкость между анодом и управляющей сеткой и ослабления действия других нежелательных явлений применяются тетроды и пентоды.
Тетрод - это четырехэлектродная электронная лампа, которая отличается
от электровакуумного триода наличием экранирующей сетки, конструктивно
расположенной между анодом и управляющей сеткой. Напряжение между экранирующей сеткой и катодом поддерживается неизменным и равным
15… 100% номинального значения анодного напряжения Uа.
В отличие от тетрода пентод имеет третью сетку, расположенную между
экранирующей сеткой и анодом. Обычно эта сетка соединяется непосредственно с катодом.
Включение тетрода и пентода в цепь усилителя аналогично включению
электровакуумного триода.
Электровакуумные индикаторы содержат последовательно расположен-
ные один за другим катод, управляющую сетку и несколько анодов. Аноды
размещаются в одной плоскости и выполняются в виде совокупности знакосинтезирующих элементов, покрытых люминофором и имеющих отдельные выводы. При положительном относительно катода потенциале управляющей сетки
35
электроны попадают на те элементы анода, к которым приложено положительное относительно катода напряжение, вызывая свечение люминофора.
4.2. Полупроводниковые диод и транзистор
4.2.1. Полупроводниковый диод
Полупроводниковым диодом называется прибор, имеющий два полупро-
водника с различной электропроводимостью. Один из них имеет электронную
проводимость типа n, а другой - дырочную проводимость типа р. Оба полупроводника помещены в металлический корпус и имеют электрические выводы для
подключения к схеме. Выводом одного из полупроводников обычно является
корпус прибора. В зависимости от величины поверхности соприкосновения полупроводников диоды могут быть точечными, где поверхность контакта сравнительно мала, и плоскостными, где поверхность контакта значительна.
В полупроводниковых диодах используется свойство p-n перехода, а также других электрических переходов, хорошо проводящих электрический ток в
одном направлении и плохо - в противоположном. Эти токи и соответствующие
им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным то-
ками, прямым и обратным напряжениями.
По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами сплавления пластин р- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. При этом p-n переход создается
на значительной площади (до 1000 мм2 ) . В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм2 . Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10…20 мА.
По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на
выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучаюшие
диоды и т. д.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного
тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии.
36
На рис. 4.5 показан внешний вид диода, на рис. 4.6 приведены условное изо-
Рис. 4.5. Внешний вид диодов
различного типа:
а – выпрямительный диод малой мощности;
б - выпрямительный диод большой мощности.
Рис. 4.6. Выпрямительный диод:
а – прямой ток I и прямое напря-
жение U; б – вольтамперная ха-
рактеристика.
а
б а б
бражение выпрямительного диода и его типовая вольтамперная характеристика.
Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному Кат выводу.
Haгpyзочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый
прямой ток IПР и соответствующее ему прямое напряжение UПР, допустимое
обратное напряжение U
тимая мощность рассеяния Р
и соответствующий ему обратный ток I
ОБР
и допустимая температура окружающей среды
РАС
, допус-
ОБР
(до 50 0С для германиевых и до 140 0С кремниевых диодов).
Вследствие большой площади p-n перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением
(рис. 4.5, а) достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды
часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности (рис. 4.5, б) с радиаторами и искусственным
охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного
напряжения до 1500 В. На рис. 4.6, а показаны направления прямого тока и
прямого напряжения, а на рис 4.6, б – вольтамперная характеристика диода.
Важнейшим параметром диода, характеризующим работу его в схеме выпрямления, является прямое и обратное сопротивление:
37
ОБР
ПР
ПР
I
U
R
;
ОБР
ОБР
ОБР
I
U
R
Рис. 4.7. Вольтамперная характеристика стабилитрона и схема простейшего стабили-
затора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки r
Н
а – вольтамперная характеристика стабилитрона; б – схема включения стабилитрона
.
Из вольтамперной характеристики перехода, или, что то же, вольтамперной характеристики диода (см. рис. 4.6, б), видно, что диод обладает резко выраженными вентильными свойствами.
Это определило и основные применения диода как вентиля для выпрямительных схем.
В практических расчетах схем выпрямления обычно применяют прямое и
обратное сопротивления диода по постоянному току, т.е. частное отделения напряжения, приложенного к диоду, на ток, протекающий через диод, взятые при
определенном значении тока или напряжения.
Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока.
Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены
для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n перехода при определенных значениях обратного напряжения U
ОБР
= U
(рис. 4.7, а). На рис. 4.7, б
ПРОБ
приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки RH. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора UBX > U
выводами U
ВЫХ
≈ U
изменится незначительно.
ПРОБ
(R H + R)/RH напряжение между выходными
ПРОБ
38
Применение неуправляемых вентилей в электротехнических устройствах
и электронике будет показано ниже (см. подраздел 4.4).
4.2.2. Полупроводниковый триод (транзистор)
Полупроводниковый триод (транзистор) представляет собой систему двух
близкорасположенных электронно-дырочных переходов. При определенных
условиях эта система обладает способностью усиливать токи и напряжения, что
и обусловило широкое применение полупроводниковых триодов в технике.
Различают два вида триодов: p – n – p и n – p – n. Эти символические записи указывают на типы полупроводников, применяемых в данном триоде.
Наибольшее применение имеют триоды первого вида.
Если контактирующие поверхности имеют малую площадь, то триоды
называются точечными. При большой площади контакта триоды называются
плоскостными. В триоде средняя зона полупроводника называется базой или
основанием, а крайние зоны, контактирующие со средней, называются: одна –
эмиттером, а другая – коллектором.
Таким образом, в триоде имеются две границы раздела полупроводников
с различными проводимостями, т.е. два электронно-дырочных перехода
(рис.4.8).
Необходимым условием работы триода является малая толщина средней
зоны (основания), которая измеряется порядком нескольких микрон. Это обеспечивает достаточное сближение двух переходных слоев и таким образом создает условия для влияния одного электронно-дырочного перехода на другой.
Большое распространение имеют германиевые триоды, у которых в качестве основного полупроводника применен германий с n – проводимостью, а для
получения коллекторного и эмиттерного полупроводников с двух сторон наплавляется индий, образующий примесные полупроводники с
p-проводимостью.
39
I
I
I
E
E
+
+
- -
p
p
n
1
2
э
к
б
Э Б К
Рис. 4.8. Принцип устройства транзистора с p – n - p переходом:
Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор.
- -
I
I
к
2
э
+
1
+
E
E
I
б
Рис. 4.9. Схема включения p – n - p транзистора
Все три полупроводника заключены в общий металлический корпус.
Крайние полупроводники, т.е. эмиттер и коллектор, обычно включаются в схему посредством гибких металлических выводов, а средний полупроводник (база) имеет своим электрическим выводом корпус прибора.
В процессе работы триода в зоне эмиттерного перехода создается прямой
ток. Для этого источник питания эмиттера Е1 включается так, чтобы обеспечить
через переход прохождение прямого тока, т.е., в случае триода p – n – p, положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным – к основанию (рис.4.9).
В зоне коллекторного перехода создается обратный ток, и источник питания включается обратной полярностью, т.е. отрицательным полюсом к коллектору, а положительным – к основанию.
40
Общий принцип работы полупроводникового триода как усилителя состоит в следующем. Обратный ток через переход база-коллектор, возникающий
под влиянием источника Е2, мал по величине, так как и база, и коллектор не
имеют достаточного количества носителей заряда, способных при такой полярности источника Е2 создать существенные токи. Возникающий обратный ток –
это ток неосновных носителей заряда.
Если включить цепь эмиттера и создать в ней прямой ток, то через переход эмиттер-база пройдет значительное количество основных носителей заряда
этого перехода и базовая область триод, а вместе с тем и коллекторно-базовый
переход, близко расположенный от эмиттерно-базового перехода, пополняется
такими носителями заряда, которых было недостаточно для создания значительного обратного тока через коллекторный переход ранее.
Следовательно, при одновременной работе обеих цепей триода эмиттерная цепь может влиять на режим работы коллекторной цепи, и изменение тока в
эмиттерной цепи будет вызывать изменение тока в коллекторной цепи. Иначе
говоря, под влиянием изменения тока в эмиттерной цепи изменяется сопротивление коллекторного перехода. Это свойство триода, при соответствующем
подборе параметров схемы, можно использовать для усиления напряжений и токов.
Возможны три варианта схемы включения транзистора (рис. 4.10) с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 4.10, а), с общей базой (ОБ) (рис. 4.10, б), с общим
коллектором (ОК) (рис. 4.10, в).
Для описания свойств полупроводниковых триодов широко применяются
характеристические параметры – величины, дающие связь между малыми изменениями токов и напряжений в приборе.
Маломощные параметры транзисторов характеризуют работу их при воздействии малого сигнала. Практически такой режим имеет место в усилителях
низкой частоты. Под малым понимается такой сигнал, воздействие которого в
транзисторе вызывает переменные токи, обусловленные выбранной рабочей
точкой. Сигнал считается малым, если при изменении его в два раза величины
41
параметров транзистора остаются неизменными в пределах заданной точности
U
U
E E
R
+ +- -
VT
ВХ
ВЫХ
СМ К
Н
СМ
ВХ
+
R
ВЫХ
-
VT
E
+
E
U
К
-
U
Н
VT
-
R
E
+
E
+
U
СМ
U
К
ВХ
ВЫХ
-
Н
а б в
≈ ≈ ≈
Рис. 4.10. Варианты схем включения транзистора
а - с общим эмиттером (ОЭ); б - с общей базой (ОБ); в - с общим коллектором (ОК)
1
1
2
2
I
I
U U
1
1
2
2
Транзистор
Рис. 4.11 – Линейный четырехполюсник, содержащий транзистор
измерений.
При воздействии малого сигнала транзистор рассматривают как линейный активный четырехполюсник (рис. 4.11), на входе которого имеют место
напряжение U1 и ток I1, а на выходе - напряжение U2 и ток I2.
В современной технике большое распространение находят полевые
транзисторы.
Различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 4.12)
и на основе конструкции металл-диэлектрик-полупроводник МДП-
транзисторы (рис. 4.13).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]