Мороз_Электротехника

4

Основные носители заряда – электроны создают диффузионный ток, дырки – дрейфовый ток. Эти токи направлены в противоположные стороны и уравновешивают друг друга.

Iдиф + Iдр = 0

16.2- Физические явления в электронно-дырочном переходе.

Электронно-дырочным или P-N переходом называется переход между двумя областями кристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа N , а другая - типа P

(рис. 16.1 а ) . Поскольку концентрация свободных дырок в P -области выше, чем в N -области, а концентрация свободных электронов в N-области выш е , чем в P- области, то на границе этих областей существует разность концентраций носителей φк (рис. 1 6 . 1 б ) , вызывающий диффузионный ток дырок из Р-области в N -область и диффузионный ток электронов и з N -области в P -область. Вследствие ухода дырок в P -области возникает нескомпенсированный отрицательный заряд, а в N -области вследствие ухода электронов - положительный заряд ( р и с 1 6 . 1 г ) . Этот двойной слой электрических зарядов по обе стороны от границы создает за счет разности потенциалов φк электрическое поле напряженностью Ек (рис.16.1 в , д ) .

Таким образом, в приконтактной области образуется слой, который называют запирающим, ОБЪЕДИНЕННЫЙ основными носителями и имеющий вслествие этого высокое сопротивление.

Вектор ЕК напряженности поля направлен так, чтобы оно препятствовало диффузии основных носителей. Вместе с тем собственное электрическое поле P-N перехода ускоряет неосновные носители, движение которых образует дрейфовый то к , направленный противоположно диффузионному. В результате в переходе устанавливается динамическое равновесие, при котором диффузионный ток оказывается полностью скомпенсированным

встречным дрейфовым током: Iдиф + Iдр = 0

В результате диффузии носителей заряда P-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, а N-область- положительный заряд.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ:

1.Определение, назначение и область применения электротехники. Нетрадиционные источники энергии.

2.Цепи постоянного тока. Обозначение источников энергии, приѐмников. Закон Ома для электрической цепи.

3.Последовательное соединение сопротивлений. Схема. Выражения для токов и напряжений. Баланс мощностей.

4.Параллельное соединение сопротивлений. Выражения для токов и проводимостей. Схема.

5.Расчѐт сложной электрической цепи с помощью метода контурных токов. Пример расчѐта.

6.Расчѐт электрической цепи методом наложения. Дать расчѐт простейшей схемы.

4

5

7.Преобразование электрических схем из треугольника в звезду и наоборот.

8.Активные и реактивные элементы в цепи переменного тока. Емкостное, индуктивное и полное сопротивления. Коэффициент мощности, треугольник сопротивлений. Активная, реактивная и полная мощности.

9.Последовательное соединение активного сопротивления и катушки индуктивности. Схема, уравнения напряжений, треугольник напряжений. Векторная диаграмма.

10.Последовательное соединение активного и емкостного сопротивлений. Схема. Треугольник напряжений. Диаграмма.

11.Последовательное соединение активного, емкостного и активно-индуктивного сопротивлений. Второй закон Кирхгофа для напряжений. Схема. Векторная диаграмма.

12.Резонанс напряжений. Условия получения резонанса напряжений. Общее сопротивление, коэффициент мощности, величина тока и мощности при резонансе напряжений.

13.Параллельное соединение сопротивлений в цепи переменного тока. Схема. Общий ток и сдвиг фаз между током и напряжением ь каждой ветви цепи. Треугольник токов. Активная, реактивная и полная мощности. Векторная диаграмма.

14. Проводимости цепи переменного тока. Треугольник проводимостей. Коэффициент мощности. Выражения проводимостей через сопротивления цепи. Определение знака угла (φ через род проводимости.

15.Повышение коэффициента мощности цепи. Схема. Векторная диаграмма. Выражение для тока цепи при неизменной активной мощности преемника.

16.Резонанс токов. Условия получения резонанса токов. Общая проводимость, коэффициент мощности, величины тока и мощности при резонансе. Область применения резонансов.

17.Применение комплексных чисел для расчета цепей переменного тока. Основные формы записи комплексного числа. Модуль и аргумент комплексного числа. Сложение и умножение таких чисел, поворот вектора на ± 90 °.

18.Электрические измерения. Эталоны, образцовые меры, единицы измерения. Классификация электроизмерительных приборов. Основные знаки на шкале прибора.

19.Погрешности и классы точности приборов. Приведенная погрешность. Дополнительные погрешности приборов.

20.Шунты и добавочные сопротивления для расширения пределов измерений токов и напряжений. Схема. Основные соотношения для сопротивлений rm и rg.

ними. Топографическая диаграмма.

23.Представление линейных напряжений векторами фазных напряжений. Определение числовых соотношений между линейными и фазными напряжениями с помощью равнобедренного треугольника из векторной диаграммы. Назначение нейтрального провода.

24.Соединение звездой без нулевого провода в трехфазных цепях. Схема. Векторная диаграмма для чисто активной нагрузки (симметричная нагрузка).

25.Соединение звездой в трехфазных цепях без нулевого провода при несимметричной нагрузке. Электрическая схема и векторная диаграмма. Определение напряжения смещения по методу узлового напряжения. Выражения для фазных токов.

26.Соединение потребителей треугольником. Электрическая схема. Определение линейных токов по фазным токам по 1-му закону Кирхгофа для узлов А, В, С. Векторная диаграмма напряжений и токов.

27.Определение мощностей в трехфазных цепях при соединении звездой и треугольником. Схемы включения и основные соотношения.

28.Трансформатор. Принципиальная схема передачи электрической энергии к потребителю. Как зависит расход меди, стоимость и сложность монтажа от величины передаваемого тока по проводам.

5

6

29.Устройство и принцип действия трансформатора. Мгновение значения ЭДС первичной и вторичной обмоток. Коэффициент трансформации трансформатора.

30.Опыты холостого хода и короткого замыкания в трансформаторе. 1-е уравнение электрического равновесия трансформатора, составленное на основании электрической схемы.

31.Электрическая схема трансформатора при нагрузке. 2-е уравнение электрического равновесия трансформатора.

32.Схема замещения трансформатора. Ток холостого хода трансформатора. Упрощенная схема.

33.Изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузке. Коэффициент нагрузки. Внешняя характеристика трансформатора.

34.КПД трансформатора. Магнитные потери в стали и потери в обмотках трансформатора. Зависимость КПД от коэффициента загрузки трансформатора.

35. Полупроводниковые приборы. Электропроводность полупроводников и образование p-n перехода. Потенциальный барьер и электрическое поле напряженностью Eзап.

36.Прямое и обратное смещения за счет внешнего поля Евн на p-n переход. Схемы включения, соотношения между 1пр и 1обр. ВАХ р-п перехода.

37.Устройство и условное обозначение выпрямительных полупроводниковых диодов. ВАХ и основные параметры полупроводниковых диодов.

38.Биполярные транзисторы. Структура и условные обозначения. Коэффициент передачи тока и дифференциальное входное сопротивление транзистора с ОБ.

39.Входная и выходная характеристика транзисторов с ОЭ. h-параметры и схема замещения транзистора с ОЭ.

40.Тиристоры. Структурная схема, условное обозначение, принцип работы. ВАХ. Дать пояснения симметричных тиристоров.

41.Выпрямители. Структурная схема неуправляемого выпрямительного устройства.

Однополупериодный выпрямитель.

42. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора. Электрическая схема и временные диаграммы U2 и UH.

43.Сглаживающие фильтры. Емкостной и индуктивный фильтры. Электрические схемы включения и временные диаграммы напряжений и токов на нагрузке от времени.

44.Структурная схема и временные диаграммы IK и Uвых от времени T. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОЭ.

45. Температурная стабилизация транзисторов. Режимы работы усилительных каскадов. Показать рабочие точки на переходной Iк=f(Iб) и выходной Iк=f(Uк3 )/Iб=const.

46. Обратные связи (ОС) в усилителях. Структурная схема последовательной ОС по напряжению. Коэффициент передачи ОС по напряжению /3 и коэффициенты усиления напряжения без ОС (Ки) и с ОС (Кос). Достоинства отрицательной ОС.

4 7 . Асинхронные машины. Двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. Устройство и принцип работы. Получение магнитного поля, вращающегося с синхронной СКОРОСТЬЮ n1.

48Скорость вращения ротора асинхронного двигателя n2. скольжение при пуске и холостом ходе асинхронного двигателя. Частота тока в роторе.

49Электрическая схема цепи статора асинхронного двигателя. Уравнения по 2-му закону Кирхгофа для этой схемы.

50.Ток в роторе асинхронного двигателя в зависимости от скольжения S. Выражение для пускового тока и график изменения тока в цепи ротора.

51.Вращающий момент асинхронного двигателя. Основная формула. Характеристика асинхронного двигателя M=f(n2) или M=f(S). Критический момент Мкр|, и критическое скольжение Sкр.

52.Принцип действия и устройство машин постоянного тока. Структурная схема. Выражение для ЭДС якоря.

53.Генератор постоянного тока независимого возбуждения. Электрическая схема. Характеристика холостого хода и внешняя характеристика. Напряжение на зажимах генератора и ток якоря при режиме короткого замыкания для генератора.

6

7

54.Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. Электрическая схема. Внешняя характеристика и регулировочная характеристика постоянного тока с параллельным возбуждением..

55.Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения. Электрическая схема. Механическая и скоростная характеристики этого двигателя..

56.Электропривод. Блок-схема. Основы механики электропривода. Уравнение динамики привода.

57. Нагрузочные диаграммы электроприводов. Пример расчета привода периодического действия.

58.Номинальные режимы электродвигателей. Дать характеристику продолжительному, кратковременному и повторно-кратковременному режиму.

59.Выбор мощности электродвигателей. Нагрузочные диаграммы для определения эквивалентного тока и мощности. Формула для определения эквивалентного момента привода.

60. Управление электроприводом. Схема управления электрическим двигателем и схема защиты асинхронных двигателей от перегрузки.

61.Электроснабжение, типы электростанций.

62.Линии электропередачи. Принципиальная схема энергоснабжения.

63.Объединенные энергосистемы и графики электрических нагрузок.

64.Расчетная мощность системы электроснабжения.

65.Потеря напряжения на участке цепи и выбор сечения проводов для сетей.

ИМС имеют малые размеры и высокую плотность упаковки. Так, ИМС наручных электронных часов содержит 5000 транзисторов, а в микрокалькуляторе - 20000. БИС - несколько сотен тысяч элементов, размеры 2-3 мкм, быстродействие - млр.-ые доли сек. БИС используются в микропроцессорах (устройства цифровой обработки информации, выполняемой по программе) и микроЭВМ.

Курс ПЭ служит базой при -изучении вычислительной техники, специальных измерений, основ автоматики.

Цель курса - ознакомить с устройствами, принципом действия и характеристиками различных электронных приборов, научить анализировать устройства ПЭ и применять их для практических задач.

2.1.Электропроводность п/п. Образование р-п-перехода

Для изготовления п/п приборов используют:

1) простые п/п материалы: германий, кремний, селен 2)сложные п/п/ вещества: арсенид галлия, фосфид галлия и др.

Чистые п/п имеют концентрацию электронов и дырок лишь 1016-1018 на I см3, удельное электрическое сопротивление - 0,65 - 108 Ом.м.

Внесение примесей называют легированием (акцепторные, -III группа таблицы Менделеева -создают дырочную электропроводность р- типа; донорные , -У группа, -создают электронную электропроводность n-типа.)

Электронно-дырочный переход - область на границе двух п/п с различными типами

7

8

Рис. 2.1. Схема образования потенциального барьера

Из-за диффузии электроны из n-области проникают в р-область и в п-области остается нескомпенсированный положительный заряд. На границе возникает разность потенциалов φк (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью E0 препятствующее диффузии. Для кремниевых диодов φк =0,6 - 0,8 В; герм.- 0,3-0,4 В.

Тонкий пограничный слой, обедненный основными носителями заряда, обладающий большим электрическим сопротивлением, называется запирающим слоем или р-п-переходом.

а)

рис 2.2. Схемы образования и характеристика p-n-перехода

8

9

Полупроводниковые резисторы, диоды, транзисторы 2.2. Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковые резисторы - п/п приборы с двумя выводами, у которых R зависит от U, t°C, освещѐнности, деформации и др.

I. Линейный резистор - R=Const, применяется в ИМС (слабо легированный кремний или арсенид галлия).

2. Варистор, R(U) изготавливается из карбида кремния, смешанного с глиной.

симметричная ВАХ

Рис.2.3. ВАХ варистора

Коэффициент нелинейности λ = R/Rg. = (V/I)/(dU/dI) const для различных типов. Применяют для защиты электрических цепей от перенапряжений.

3.Терморезистор

1 tº

Рис 2.4. Характеристики термистора

1- термистор, его R уменьшается с ростом tº 2- позистор, его R увеличивается с ростом tº

Основной параметр - температурный коэффициент сопротивления:

из керамики или стекла наносится пленка фотоактивного материала. Используется внутренний фотоэффект. При освещенности происходит воз-

9

10

буждение электронов, переход их на более высокий энергетический уровень, изменяется концентрация свободных электронов.

Ом.

Uраб= 100 В

5. Тензорезистор , R зависит от деформации рабочего тела. Основная характеристика – Деформационная характеристика – зависимость ∆R/R = f(∆l/l),где l- длина рабочего тела.

Основные параметры Rном =100 - 500 Ом; К = ∆R/R:∆l/l (-150 ÷

+ 150) - коэффициент тензочувствительности. Применяют для измерения деформации твердых тел.

Характеристики тензорезистора

2.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ П/п диодом называют прибор с одним р-п-переходом и двумя

выводами.

Полупроводниковые приборы разделяют на I) точечные; 2) плоскостные. По способу внесения примесей: I) сплавные; 2) диффузионные.

Типы диодов:

1) Выпрямительные диоды -предназначены для выпрямления переменных токов.

10

11

Рис2.8 ВАХ диода

Основные параметры: Iпр.max → Uпр =(0,5 -1,5)B;

Uобр max → Iобр ; Ppac.max; Cмеж.эл. ; fпред.

Обозначения: Г - германий , К - кремний, А - арсенид галлия.

2. Кремниевые стабилитроны - для стабилизации напряжения. Используется работа при обратной полярности.

0,05÷+0.02)%/◦С

11

12

3. Туннельные диоды, в которых используется туннельный эффект (при эл. пробое происходит тоннелирование электронов из зоны р-слоя в зону п-слоя).

Рис. 2.10. ВАХ туннельного диода

На ВАХ есть участок с отрицательным Rд.

Основные характеристики Iп, Iп/Iв. Применяются в генераторах ВЧ колебаний, в импульсных переключателях.

4. Обращенные диоды - разновидность туннельных диодов. Они обладают вентильными свойствами там, где выпрямительные диоды не обладают. Iпток пика. При Iобр имеют наибольшую проводимость.

Рис. 2.11. Вах обращенного диода

5. Варикапы - п/п диоды, у которых С с увеличением Uобр уменьшаестся, т.е. это элемент с управляемой емкостью.

Основные параметры: I) общая емкость Св при U = 2-5 В.

2) Кс= Сmax/Сmin =(5÷20)- коэффициент перекрытия по емкости. Применяется в параметрических усилителях, при дистанционном управлении, в

системах автоматической подстройки частоты. Рис.2.12.

Характеристика варикапа.

6. Светодиоды, в которых р-п-переход излучает свечение. Этим свойством обладают п/п на основе карбида кремния, арсенида и фосфида галлия.

При прохождении через р-п-переход Iпр основные носители заряда инжектируют в соседние слои и рекомбинируют в граничных областях. При рекомбинации выделяется квант эл.- магн. энергии (фотон) количество излучаемого света зависит от

Iпр. Применяются для контроля работоспособности электронных цепей, индикации (цифровые, буквенные индикаторы).

7. Фотодиоды - используют внутренний фотоэффект.

Может работать в режиме фотогенератора, когда внешний источник ЭДС отсутствует и при освещении поверхности появляется фото-ЭДС, или в режиме фотопреобразователя,

12

13

когда Uвнеш подано в запирающем направлении; оа - фото-ЭДС ; об -ток кз фотодиода; аб - работа в режиме фотогенератора бв – работа в режиме фотопреобразователя.

Рис. 2.13. Схема включения и ВАХ фотодиода

Солнечные фотоэлементы(батареи) на космических кораблях имеют η>20%. Мощность солнечной батареи 200 вт/кг массы, 1кВт/м2 поверхности.

Чувствительность интегральная SI = Iф/Ф(для германиевых SI<20 mA/лм 8) Оптроны - в одном корпусе содержат источник излучения (светодиод) и

приемник излучения (фоторезистор, фотодиод и т.д.).

Рис. 2.14. Схемы включения оптронов

Фоторезисторный фотодиодный оптрон оптрон

Оптроны – быстродействующие реле, элементы связи в электронных цепях, информация передается оптически.

9. Магнитодиод - ВАХ изменяется под воздействием магнитного поля. 10. Тензодиод - ВАХ изменяется под воздействием механических дефор-

маций.

11. Высокочастотныей диоды.

12. Импульсные диоды.

13. Диоды с барьером Шотки.

14. Диоды Ганна.

2.4.Транзисторы

2.4.1.Биполярные транзисторы

Транзистор - это п/п прибор, имеющий 2 электронно-дырочных перехода, образованных слоями, п-р-и или р-п-р - типа. Имеет 3 или более выводов. Изготавливают на базе германия или кремния. Термин"биполярный" обусловлен наличием 2-х типов носителей зарядов: электронов и дырок.

В зависимости от чередования областей различают транзисторы п-р-п и р-п- р-типа.

13