Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Конспект лекций
.pdf
42
Рис. 4.12. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом с общим истоком:
И – электрод исток; С – электрод сток; З – электрод затвор; n-канал из полупро-
водника n-типа; ЕС – источник ЭДС для образования n –проводимости в n-канале;
ЕЗ – источник ЭДС, определяющий ширину n-канала; UCИ – напряжение, вызы-
вающее лавинный пробой между затвором и стоком; UЗИ – напряжение, соответ-
ствующее закрытому состоянию транзистора
Рис. 4.13. Полевой транзистор на основе конструкции МДП
Полевой транзистор можно рассматривать как прибор, управляемый напряжением, в отличие от обычного биполярного транзистора, управляемого током базы. Основные достоинства полевых транзисторов – большое сопротивление входной цепи (1…10 Мом) и технологичность при производстве интегральных микросхем с большой плотностью размещения элементов. Основной
недостаток – относительно невысокое быстродействие.
4.3. Примеры применения транзисторов в схемах
4.3.1. Полупроводниковый ключ
Схема полупроводникового электронного ключа (ПЭК) является одним
из важнейших элементов различного рода импульсных и цифровых устройств.
43
ПЭК представляет собой полупроводниковый прибор (транзистор) предназна-
K
К
K
R
E
I
I
I
I
I
U
U
E
E
t
ВХ
БО
К
К
ВЫХ
-
-
+
+
БО
БО
КО
I
=
VT
Э
=0
К
I
t
U
ВХ
U
I
I
I
К
E
ВЫХ
БО
E
-
-
+
+
Б
Б
I
R
VT
Э
К
Б
Рис. 4.14. Полупроводниковый ключ:
а - запертое состояние; б - открытое состояние
ченный для замыкания и размыкания цепи электрического тока под действием
управляющего сигнала U
упр
.
Полярность напряжений во входной цепи ПЭК и токораспределение в
этой цепи, соответствующее двум стабильным состояниям ключа (запертому и
открытому), показаны на рис. 4.14.
Для того, чтобы триод, а тем самым и ПЭК, был надежно заперт, к его базе должен быть сообщен положительный потенциал (0,5…1,0 В) по отношению
к эмиттеру. При этом эмиттерный ток Iэ = 0, а через коллекторную и базовую
цепь проходит тепловой ток Iко. При этом электроны из эмиттера (n – область)
практически не будут инжектироваться в базу (р – область).
Величина тока Iко очень мала, поэтому можно считать что ПЭК «закрыт».
Напряжение Uкэ максимально и равно напряжению источника Uкэ = U
При подаче отрицательного потенциала на базу U
= UБЭ > 0 из эмитте-
УПР
вых
= Ек.
ра в базу инжектируются электроны, которые втягиваются в область коллектора, что приводит к значительному увеличению тока IК , т.е. триод «откры-
вается»:
.
При этом напряжение UK ≈ 0 , что соответствует режиму насыщения триода.
Можно сказать, что «открытое» состояние триода соответствует режиму
насыщения (логическая единица), а «закрытое» - режиму отсечки (логический ноль).
44
4.3.2. Триггер
вх.1 вых.1
вых.2вх.2
К1
К2
Рис. 4.15. Структурная схема триггера:
К1, К2 – электронные ключи, связанные непосредственно положительной об-
ратной связью
На основе ПЭК построены более сложные импульсные и цифровые устройства – триггеры, мультивибраторы, логические элементы и ряд других.
Триггер в общем случае представляет собой устройство, имеющее два устойчивых состояния и выполняющее функции формирователей прямоугольных импульсов или элементов, хранящих информацию (запоминающих устройств).
Переход из одного состояния в другое осуществляется под влиянием внешнего
сигнала так, что последнее состояние, в которое перешел триггер, сохраняется
до прихода следующего внешнего сигнала. Принцип действия триггера рассмотрим на примере простейшей структурной схемы, показанной на рис. 4.15.
Здесь К1 и К2 – электронные ключи, связанные непосредственно положительной обратной связью, так что вход ключа К1 (вх 1) соединен с выходом К2
(вых 2), а вход К2 (вх 2) – с выходом К1 (вых 1). Предположим, что в началь-
ный момент ключ К1 «закрыт», U
крыт», U
BX2
≈ U
МАКС
, U
на входе К1 напряжение увеличивается под влиянием внешнего сигнала даже
кратковременно (импульсный сигнал), то это приведет к отрыванию К1 и к падению, а, следовательно, к уменьшению U
крываться, а напряжение U
личению U
Процесс протекает лавинообразно и заканчивается полным открытием
вх1
.
ключа К1, закрытием ключа К2 (второе устойчивое состояние триггера). Важ-
≈ 0, U
вх1
≈ 0 (первое устойчивое состояние триггера). Если
ВЫХ2
вх2
увеличиваться, что приведет к дальнейшему уве-
вых2
вых1
=
Uкэ1
= U
; ключ К2 – «от-
макс
. В силу этого ключ К2 начнет за-
45
ным отличием триггера от других импульсных устройств является способность
T T
T
R R
S S
P P
Q Q Q
P
Рис. 4.16. Принцип «организации» RST триггера
сохранять состояние до прихода следующего внешнего сигнала (свойство памяти). Это свойство триггера обусловило его широкое применение в цифровых
устройствах в качестве счетного элемента и ячеек памяти.
Переход триггера из одного состояния в другое происходит при достижении Uвх определенного порогового значения U
жение на выходе триггера изменяется скачкообразно от 0 до U
(порог срабатывания), напря-
пор
. При логиче-
max
ском анализе работы цифровых устройств не столь важны числовые значения
U
пор
и U
, сколько сам факт дискретного изменения входных и выходных на-
max
пряжений, осуществляющих перевод триггера из одного устойчивого состояния
в другое. Минимальным (по абсолютной величине) значениям Uвх и U
вых
соответствует уровень логического нуля, а максимальным – уровень логической
единицы.
Современные триггеры имеют несколько входов, различных по своему
функциональному назначению (рис. 4.16). Рассмотрим так называемый RST –
триггер, имеющий три отдельных входа, на которые можно подавать входные
сигналы S – вход, R – вход и T – вход. R и S – входы являются установочными
(сокращение английских слов – set – устанавливать, reset – возвращать), Т –
вход является счетным. Схема RST – триггера приведена на рис. 4.17.
46
Qn S R T
Q
n+1 Qn+1
0 1 0 0 1
0
1 1 0 0 1
0
Рис. 4.17 - Схема RST триггера
R
R
R
VD VD
C
VT
VD VD
VT
R
C
R
K K
E
-
K
1
1R
1
1
2
2
3
B
B
ф
ф
вых.2
вых.1
При наличии логической единицы одновременно на обоих входах R и S
состояние триггера непредсказуемо (неопределенное состояние), что является
одним их недостатков RS – триггеров. По Т – входу можно переключить триггер из одного состояния в другое независимо от предшествующего состояния,
что дает возможность использовать триггер в качестве счетного элемента. Необходимо отметить, что для нормального функционирования Т - входа на R и S
входах должны быть логические нули в момент прихода сигнала на Т – вход.
Наглядным способом отображения функционального назначения входов триггера является так называемая таблица состояний, которая показывает, как изменяется состояние триггера при наличии на входах тех или иных логических
уровней (для RST - триггера приведена табл. 4.1).
Логические уровни триггера
Таблица 4.1
47
В табл. 4.1 показан фрагмент состояний, описывающий функционирова-
ние входа S триггера. Здесь Qn означает уровень сигнала на выходе Q до прихода входных сигналов, а Q
n+1
– после прихода входных сигналов. Полная таблица должна содержать все возможные комбинации логических уровней, не
имеющихся у триггера входах, в данном случае RST входах.
4.3.3. Мультиибратор.
Ещѐ одним широко распространенным электронным устройством являет-
ся мультивибратор. Это устройство также имеет два состояния, но в отличие от
триггера оба этих состояния являются лишь временно устойчивыми. Переход
мультивибратора из одного состояния в другое осуществляется автоматически
без всяких внешних воздействий через время, определяемое параметрами входящих в мультивибратор элементов. Это устройство можно также представить
состоящим из двух ключей, охваченных положительной обратной связью (рис. 4.18).
В отличие от триггера, где обратная связь осуществлялась непосредственно,
здесь необходимым элементом цепи обратной связи является конденсатор, что
и определяет функциональное различие рассматриваемых устройств. При этом
также, как и в триггере, временно-устойчивым состояниям мультивибратора
соответствует «открытое» и «закрытое» состояние ключей К1 и К2, но в силу
наличия конденсаторов С1 и С2 мультивибратор остается в этих состояниях
лишь определенное время, обусловленное временем перезарядки конденсаторов С1, С2. Зависимость напряжения на выходных ключах, которые и являются
выходами мультивибратора U
вых1
= U
кэ1
и U
вых2
= U
от времени имеет вид,
кэ2
показанный на рис. 4.19.
48
R
C
VT VT
C
R
E
-
K
1
2
R R
+Е
1
1
2
2
3
4
К
U
U
U
U
t
t
t
t
ВЫХ2
ВЫХ1
МАХ
МАХ
1
2
Рис. 4.19. Напряжения на выходах мультивибратора
Рис. 4.18. Принципиальная схема мультивибратора.
Здесь интервал Δt1 соответствует открытому состоянию ключа К1 и за-
крытому К2, а Δt2 обратному состоянию ключей. Положительный выброс напряжения и называется импульсом, U
ность импульса для выхода 1 (Δt2 -для выхода 2), Т = Δt1 + Δt2 - период повторения импульсов. При этом Δt1 зависит от емкости С1, Δt2 зависит от емко-
сти С2, так что изменяя величины емкостей С1 и С2 можно изменять временные параметры импульсов.
- амплитудой импульса, Δt1 - длитель-
max
49
В цифровой технике мультивибратор часто используют в сочетании с
t
f1
m
mm
mp
f
T
f
2
11
t
МАХ
U
t
Q
T
T TP
M
Рис. 4.20. Делитель частоты на триггерах
триггером, в частности при необходимости деления частоты следования импульсов мультивибратора в 2n раз (n = 1, 2…..):
.
Действительно, если подать выходные импульсы мультивибратора на
счетный Т - вход; например, RST – триггера, то последний будет переключаться каждый раз с приходом следующего импульса. Как видно из временных диаграмм напряжений (рис. 4.20), снимаемых с выхода мультивибратора и триггера (выход Q), периоды следования Ттр и Тм отличаются ровно в 2 раза (Т
2ТМ, и, соответственно
.
Если на выход первого триггера подключить еще один триггер, то полу-
ТР
=
чим ещѐ одно деление на 2 и т.д.
4.4. Неуправляемые выпрямители
Полупроводниковый выпрямитель представляет собой электротехниче-
ское устройство, предназначенное для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (вентилей).
50
Электрические вентили, используемые в выпрямителях, должны обладать
m
m
T
m
T
cp
I
I
tdtI
T
idi
T
I 318,0sin
11
2
0
2
0
m
m
cp
U
U
U 318,0
VD
UU
2
TV
R
0
H
1
I
u
0
0
t
t
i
0
2
Рис. 4.21. Однополупериодный выпрямитель (а) и диаграмма выпрямленного
напряжения (б)
б
по возможности малым сопротивлением Rпр, минимальным обратным током и
достаточно большим обратным напряжением U
обр
.
В промышленных установках применяются однофазные (одно и двухпо-
лупериодные) и многофазные выпрямители.
4.4.1. Однополупериодная схема выпрямления
Принцип работы схемы основан на односторонней проводимости вентиля
VD, подключенного последовательно с нагрузкой RH ко вторичной обмотке
трансформатора TV (рис. 4.21).
При таком включении в схему элемента, обладающего вентильными
свойствами, несмотря на наличие переменного напряжения u2 у источника питания TV, ток, возникающий в цепи нагрузки, будет проходить всегда в одном
направлении, и только в течение одного полупериода.
В этом случае среднее значение тока
и напряжение
За половину периода действующее значение напряжения
.
51
222
1
)2cos1(
1
sin
1
2
2
0
2
2
0
2
2
mm
TT
m
U
T
U
T
dttmU
T
tdtU
T
U
57,12
cp
Ф
U
U
k
U
VD1
VD2
TV
R
Н
u
0
0
t
t
i
0
2
Рис. 4.22. Двухполупериодный выпрямитель с трансформатором со средней
точкой (а) и диаграмма выпрямленного напряжения (б)
а
.
Коэффициент формы kф, равный отношению действующего значения пе-
риодически изменяющейся функции к ее среднему значению:
.
Однофазная схема, при своей простоте, обладает существенными недос-
татками: большими пульсациями переменного тока и напряжения; неполным
использованием питающего трансформатора.
4.4.2. Двухполупериодная схема выпрямления
Схема (рис. 4.22) содержит трансформатор TV со средней выведенной
точкой во вторичной обмотке и два вентиля VD1 и VD2.
В этом случае за время полного периода изменения функции (напряже-
ния) поочередно работают обе половины вторичной обмотки, каждая со своим
вентилем.
Таким образом, процесс выпрямления в схеме протекает непрерывно.
При этом среднее значение тока
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]