Васильев Л.А. - Конспект лекций

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ТОЭ»

Л.А. ВАСИЛЬЕВ

ПРОМЫШЛЕННАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

КОНСПЕКТ

ЛЕКЦИЙ

Рассмотрено на заседании каф. электромеханики и ТОЭ протокол № 1 от 31.08.2011

Утверждено на заседании Учебно-издательского совета ДонНТУ протокол № 7 от 24.11. 2011

Донецк – 2011

2

УДК 621.38

Васильев Л.А. Промышленная электроника. Конспект лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. –2011. –112 с.

В учебном пособии представлены материалы лекций по полупроводниковым приборам, усилительным и генераторным устройствам, цифровым средствам промышленной электроники, силовым преобразовательным устройствам.

Предназначено для студентов направления подготовки 6.050701 «Электротехника и электротехнологии».

© Васильев Л.А., 2011

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….4

Раздел 1 КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ……….…….…...…..5

Лекция 1 Электропроводность полупроводников. Электронно-дырочный переход……………..………….…..5

Лекция 2 Полупроводниковые диоды……………………………..…12

Лекция 3 Биполярные транзисторы………….……….…………..…..18 Лекция 4 Полевые транзисторы…..…………………………………..25 Лекция 5 Тиристоры.………………………………………….……….33

Лекция 6 Интегральная электроника. Оптоэлектронные приборы...40

Раздел 2 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА……………..………..46

Лекция 7 Транзисторные усилители……………………….…….…...46 Лекция 8 Транзисторные усилители (часть 2)……….……………...52 Лекция 9 Усилители постоянного тока. Операционные усилители..58 Лекция 10 Операционные схемы. Импульсные устройства……….…64

Лекция 11 Генераторы…………………………………………….…….71

Лекция 12 Логические элементы……………………………………….76

Лекция 13 Цифровые устройства………………..……………………...82

Раздел 3 СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА…………………………….90

Лекция 14 Источники вторичного электропитания………………......90 Лекция 15 Управляемые выпрямители…….…………………………..98

Лекция 16 Инверторы.…………………………………………………106

Список рекомендованной литературы………………………………...111

4

ВВЕДЕНИЕ

Невозможно переоценить роль электроники в жизни современного общества. Она по праву считается основой и катализатором научно-технического прогресса. Без электроники немыслимы ни успехи в освоении космоса и океанских глубин, ни развитие электроэнергетики и вычислительной техники, ни автоматизация производства, ни радиовещание и телевидение. Электронные устройства используются во всех сферах человеческой деятельности, электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении современных научнотехнических задач.

В промышленности каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без электроники. Значительная роль электроники в развитии электроэнергетики обусловлена тем, что основные процессы производства, распределения, преобразования и потребления электрической энергии базируются на широком применении средств электронной и вычислительной техники. Поэтому курс «Промышленной электроники» является важной частью инженерной подготовки специалистов в области электроэнергетики и электротехники.

Пособие состоит из трех разделов, в которых системно изложены физические процессы, принципы устройства и работы компонентов и устройств современной информационной и энергетической электронной техники, применяемой в промышленности, электроэнергетике и на транспорте.

5

Раздел 1

КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Лекция 1 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

1.1Основные понятия

Электроника изучает принципы устройства, работы и применения приборов, действие которых основано на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в твердых телах, в вакууме и в газе.

Промышленная электроника (ПЭ) → применение электронных приборов в промышленности, в электроэнергетике, на транспорте.

информационная ПЭ;

энергетическая ПЭ.

1.2Основные классы полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы – активные компоненты электронных устройств.

Режимы работы полупроводниковых приборов:

ключевой;

усилительный.

Диод – обеспечивает однонаправленную передачу электрического сигнала, неуправляемый ключ.

Транзистор – управляемый полупроводниковый прибор, работает в ключевом и усилительном режимах.

Тиристор – управляемый ключ.

7

Полупроводник n-типа: основные носители заряда – электроны.

Ge

-

Ge Sb Ge

W

зона проводимости уровни доноров

валентная зона

Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа

В n-полупроводнике: nn >> pn ; nn = pn + Nд Nд >> ni.

Полупроводник р-типа: основные носители заряда – дырки.

8

W

зона проводимости

уровни акцепторов

валентная зона Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа

В р-полупроводнике: pp >> np ; pp = np + Na Na >> pi.

1.4Дрейфовый и диффузионный токи

Дрейфовый ток (дрейф) – направленное движение носителей заряда под воздействием электрического поля:

I др = I др n + I др p .

+ + + +

Е

Принцип дырочной проводимости

Средняя скорость перемещения носителей заряда (подвижность носителей):

Электропроводность полупроводника:

Диффузионный ток (диффузия) – направленное движение зарядов под действием градиента концентрации:

Iдиф = Iдиф n + Iдиф p .

9

Uк = n – p – потенциальный барьер (контактная разность потенциалов)

10

Суммарный ток перехода – прямой ток:

Iпр = Iдиф – Iдр > 0;

Iдиф >> Iдр .

Инжекция носителей заряда – усиление диффузии через переход под действием прямого напряжения.