25

Список вопросов и ответов по проверке остаточных знаний по разделу Электротехника дисциплины «Электротехника и Электроника»

Лектор: Мухтаров А.Ш.

2006/2007г

Список вопросов и ответов по проверке остаточных знаний по разделу Электроника дисциплины «Электротехника и Электроника»

1. Вопрос: Полупроводниковый диод, электрофизические свойства , В/А характеристика диода.

Ответ: Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n-переходов. Электрод диода, подключенный к области p , называют анодом, а электрод, подключенный к области n- катодом. Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением. ( стабилитрон , варикап, Диод Гана, термистор),

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя (~0, 5÷0,6 В). ВАХ выпрямительного диода имеет вид: где R-сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называется последовательным сопротивлением Статическая ВАХ полказана на рис. 1

2.Вопрос: Стабилитрон и его свойства (расчет простейшего стабилизатора на стабилотроне).

Ответ: Стабилитроны специальные диоды – использующее явление неразрущающего пробоя. ВАХ стабилитрона имеет вид :

Стабилитрон характеризуется параметрами: напряжения стабилизации Ucт, током Icт мощностью рассеивания.

Условные обозначения стабилитрона

Маркировка : первая буква указывает на материал К- кремневый , вторая С стабилитрон, цифры- напряжение стабилизации

Коэффициент стабилизации К= ΔU вх/ Δuвых. Обычно К=10÷100

3. Вопрос: Тиристоры, принцип действия, устройство, ВАХ характеристики тиристоров. Условные обозначения.

Ответ: Тиристорами называют пп устройство с 2-я устойчивыми состояниями. Тиристор состоит обычно из 3-х или более последовательно включенных р-n –переходов . Например:

А-анод (р-контакт), К-катод (n-контакт). Различают неуправляемые и управляемые тир-ры.

ВАХ при Uупр=const имеет три характерных участка ( рис3. ). 1)→ 0÷ Uп.п,

2)→ Uп.п ÷ В , )→ В ÷ Uр, (Ip)

Первый участок от U=0 до напряжения прямого включения U = Uп.п соотвествует малым токам- тиристор –закрыт. При достижении напряжения включения Uп.п увеличение тока I вызывает уменьшение напряжения U, что приводит к дальнейшем росту тока и уменьшению U. Процесс носить лавинообразный характер- тиристор открывается, тиристор переходит на третий участок ВАХ. Ток тиристора на этом участке ограничивается сопротивлением нагрузки.

Т.к. напряжение прямого включения зависит от напряжения управления Uупр, то тиристор можно использовать как электронный ключ. Основной областью применения тиристора является преобразовательная техника.

Достоинством тиристора по сравнению с диодом является относительно малое падение напряжения на открытом переходе, соответственно тиристор имеет малые потери. Тиристоры могут пропускать токи до Iном = 5000 А, при этом U_АК ном =5000В.

Конструкция, обозначения электродов , технические харакеристики

В справочнике приводятся следующие технические характеристики:

Рабочее напряжение U_АК ,рабочий ток, максимальная рассеиваемая мощность,

напряжение открытия, напряжение закрытия , предельное обратное напряжение

4. Вопрос: Транзисторы, принцип действия , устройство биполярных транзисторов. Характеристики транзисторов. Условные обозначения.

Ответ: Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости а средняя- противоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя- дырочной, называются транзисторами n-p-n-типа. (рис. ). транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями- p-n-p. В транзисторе n-p-n-типа электрический ток создается в основном электронами, а в транзисторе p-n-p-типа- дырками. Смежный области, отделенные друг от друга p-n-переходами, называются эмиттером, базой и коллектором.

Эмиттер является областью, испускающей носители зарядов (электронов) в транзисторе , коллектор- область, собирающая носители зарядов.

(рис. )

В условиях работы транзистора к левому p-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер- база Uэ в прямом направлении, а к правому p-n-переходу- напряжение база- коллектор Uк- в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n-переход, переходит (инжектируется) в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним источником Uк. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uк. Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса δ. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода. Данный коэффициент можно определить как отношение управляемого коллекторного тока к току эмиттера, созданного его основными носителями.

Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток.

Ток коллектора Iк=Iэ-Iб окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение

при Uк=const называется коэффициентом передачи по току и обычно имеет значение α=0,9÷0,995.

Если цепь эмиттер- база разомкнута и ток в ней равен нулю, а между коллектором и базой приложено напряжение Uк, то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный тепловой ток I_к0, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток сильно зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).

Так как левый (эмиттерный) p-n-переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же (коллекторный) p-n-переход воздействует обратное напряжение и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением , создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение, в результате чего транзистор осуществляет усиление мощности. При работе транзистора в качестве усилителя входное переменное напряжение подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается с нагрузочного резистора.

Схемы включения

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы включения (рис. 4.2)

5. Вопрос: Статические характеристики транзистора. Y и Н параметры. транзисторов.

Ответ: Статические характеристики транзистороа представляют собой графики зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзистора. Различают входные, выходные . и переходные характеристики транзистора.

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжений при неизменном напряжении на коллекторе.

Рассмотрим схему с ОЭ. Соберем цепь и проследим за изменением тока базы в зависимости от напряжения база-эмиттер.

Установим некое значение напряжения U_{КЭ1 .}

Будем изменять напряжение U_БЭ и следить за изменением тока базы , поддерживая значение напряжения U_КЭ постоянным. Мы получим кривую зависимости I_Б=f (U_БЭ)U_КЭ=const. т.е входную статическую характеристику транзистора.

Затем увеличим напряжение U_КЭ2 и вновь построим входную характеристику. Мы увидим , что они близки.

Вывод: Напряжение U_КЭ мало влияет на входную характеристику транзистора включенного по схеме с ОЭ.

Изучим выходную характеристику транзистора. Для этого установим начальный ток базы i_Б1, и будем измерять ток коллектора в зависимости от напряжения U_КЭ. Мы получим кривую зависимости I_К=f(U_КЭ)i_Б=const. т.е выходную статическую характеристику транзистора.

Переходная характеристика

Зависимость тока коллектора i_К от напряжения U_БЭ при постоянном напряжении U_КЭ.

Вывод: Переходная характеристика близка по форме к входной х-ке , при этом ток коллектора мало зависит от напряжения U_КЭ.

Выходные характеристики характеризуют зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при неизменной величине входного тока или напряжения. В соответствии с тремя схемами включения транзистора различают характеристики для схемой с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

6. Вопрос: Н и Y параметры транзисторов.

Ответ: Зависимости токов базы и коллектора обычно описывают с помощью теории 4-х полюсников в виде Н или Y параметров. Например, мы видим что ток базы зависит от двух параметров: напряжения U _БЭ и напряжения U_КЭ Для Н параметров (матрица сопротивлений) удобно представить эту зависимость в виде U_БЭ=f (i_Б, U_КЭ) и I_К=f(f (i_Б, U_КЭ)

Для малых сигналов можно записать полные дифференциалы:

dU_БЭ= [d U_БЭ / d i_Б ] _UКЭ=const * d i_Б + [d U_БЭ / d U_КЭ, ] i_{Б =const} * d U_КЭ

dI_К=[d I_К / d i_Б ] _UКЭ=const * d i_Б + [d I_К / d U_КЭ, ] i_{Б =const} * d U_КЭ

обычно эти соотношения записывают в виде :

dU_БЭ= h₁₁ * d i_Б + h₁₂ * d U_КЭ

dI_К h₂₁* d i_Б + h₂₂* d U_КЭ

где h₁₁= [d U_БЭ / d i_Б ] _UКЭ=const = Rвх –входное сопротивление транзистора

h₁₂= [d U_БЭ / d U_КЭ, ] i_{Б =const} = 1/К где К коэффициент передачи по напряжению

h₂₁= =[d I_К / d i_Б ] _UКЭ=const = β коэффициент усиления транзистора по току

h₂₂= [d I_К / d U_КЭ, ] i_{Б =const} =1/ Rвых – где Rвых выходное сопротивление транзистора

Типичные значения Н параметров для маломощных транзисторов.

h₁₁=10³÷ 10⁴ Ом h₁₂=2*10 ^-4÷ 2*10 ^-3 h₂₁=20÷ 200 h₂₂=10 ^-5÷ 10 ^-6 См

Для описания работы полевых транзисторов удобнее представить в виде Y параметров ( проводимости)

i_Б =f (U_БЭ ,U_КЭ) и I_К=f (U_БЭ ,U_КЭ)

Для малых сигналов можно записать полные дифференциалы:

d i_Б = [d i_Б / d U_БЭ ] _UКЭ=const * d U_БЭ + [d i_Б / d U_КЭ, ] _{UБЭ =const} * d U_КЭ

dI_К = [d I_К / d U_БЭ ] _UКЭ=const * d U_БЭ + [d I_К / d U_КЭ, ] _{UБЭ =const} * d U_КЭ

Обычно эти соотношения записывают в виде :

d i_Б = Y₁₁ * d U_БЭ + Y₁₂ * d U_КЭ

dI_К = Y₂₁* d U_БЭ + Y₂₂* d U_КЭ

где Y₁₁= [d i_Б / d U_БЭ] _UКЭ=const = Yвх =1/Rвх –входная проводимость транзистора

Y₁₂ = [d i_Б / d U_КЭ, ] _{UБЭ =const} = обратная крутизна

Y₁₂ = [d I_К / d U_БЭ ] _UКЭ=const = S крутизна [ма/мв]

Y₂₂= [d I_К / d U_КЭ, ] _{UБЭ =const} = Yвых =1/Rвых–выходная проводимость транзистора

Типичные значения Y параметров для маломощных транзисторов.

Y₁₁=10³÷ 10⁴ Cм Y₁₂= ~ 0 Y₂₁== β /R_БЭ Y₂₂=10 ^-5÷ 10 ^-6 См

Типичное значение S = 1ма/25мв

7. Вопрос : Полевые транзисторы, принцип действия, устройство. Статические характеристики полевых транзисторов

Ответ: Различают полевые транзисторы с управляющим р-п переходом и на основе конструкции металл—диэлектрик—полупроводник или МДП-транзисторы.

А. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Рассмот­рим принцип работы нолевого транзистора с управляющим р-п пере­ходом (рис. 7.1).

Между двумя электродами, называемыми истоком И и стоком С, расположен «-канал из полупроводника «-типа. Если между истоком и стоком включен источник с ЭДС £₍, положительным полюсом к стоку, то в я-канале есть ток проводимости , значение которого зависит от сопротивления канала. В свою очередь сопротивление и-канала зависит от его ширины, которую в полевых транзисторах мож­но изменять. Для этого между третьим электродом, называемым за­твором 3, и истоком включен источник ЭДС £\, отрицательным полю­сом к затвору, так что р-п переход между и-каналом и полупровод­ником р-типа, который находится у затвора, включен в обратном направлении. Ширина обедненного подвижными носителями р-п перехо­да влияет на ширину «-канала и тем самым на его проводимость.

Напряжение р-п перехода вдоль канала непостоянное

и имеет отрицательное значение, т. е. переход на всем протяжении вклю­чен в обратном направлении. Наибольшего абсолютного значения напря­жение достигает у стока, где перекрытие канала будет максимальным (показано заштрихованной областью на рис. 10.19).

Работу полевого транзистора с управляющим р-п переходом опре­деляют статические стоковые ^р(^_си) и = const (Р^ис<0 и стоко-затворные ^_с(и_з]Л)_и =_const (рис. 7.2,6) характеристики. Чрезмерное увеличение напряжения £/_си вызывает лавинный пробой между затвором и стоком.

При напряжении £/₃И' меньшем напряжения отсечки ^₃Иотс' ^канал закрыт (/„ = —/~). Изменение полярности напряжений £/,,„ или £/дц

нарушает работу затвора.

В рассмотренном случае (рис. 10.19) полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ). Возможно включение полевого тран­зистора также по схеме с общим стоком (ОС) и общим затвором (03). Однако две последние разновидности схем включения приме­няются редко и здесь не будут рассматриваться.

Рассматривая полевой транзистор с ОИ как нелинейный трехполюсник, включенный по схеме на рис. 6.12, опишем аналогично (6.7)

его работу в режиме малого сигнала системой линейных уравнений:

Iз=Y₁₁Uзи + Y₁₂Uси

Iс=Y₁₁Uзи + Y₁₂Uси

где Y₁₁ = [d i_з / d U_зи] _Uси=const = Yвх =1/Rвх –входная проводимость транзистора

Y₁₂ = [d i_з / d U_си] _Uзи=const = обратная крутизна

Y₂₁ = [d I_с / d U_зи ] _Uси=const = S крутизна [ма/мв]

Y₂₂ = [d I_с / d U_си ] _Uзи=const = Yвых =1/Rвых–выходная проводимость транзистора

— параметры полевого транзистора. Они определяются из опыта или по статическим характеристикам имеют типовые зна­чения

Y₁₁₌10^{-7 ÷} 10^-9 См ; Y₁₂₌10^{-9 ÷} 10^-11См ;

Y₂₁₌10^{-3 ÷} 10^-4 См ; Y₂₂₌10^{-5 ÷} 10^-6См ;

Полевой транзистор прибор, управляемый напря­жением, в отличие от биполярного транзистора, управляемого током базы . Величина S ~ Угх называется крутизной стоко-за-творной характеристики.

Б. Полевые МДП-транзисторы. Полевые МДП-транзисторы отличают­ся от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом тем, что в них электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика. В ка­честве диэлектрика обычно используется окисел SiO₂.

8. Вопрос. Выпрямители в однофазных и 3-х фазных цепях переменного тока: одно, 2-х полупериодный, схема А.Н.Ларионова.

Ответ: Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 8.1, а) является простейшей из известных схем выпрямления. Будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном- бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток трансформато­ра равны нулю.

рис. 8.1 а,б

В течение первого полу-периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VD потенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке и в ней возникнет ток (рис. 8.1 б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет отрицательный относительно катода потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную составляющую в пределах периода, можно найти из следующего равенства :

=

Заменив амплитудное значение напряжения его действующим (), получим

или

Постоянную составляющую вы­прямленного тока можно подсчитать по формуле:

Обычно значение напряжения , так же как тока, задается при расчете выпрямителя.

Если напряжение сети известно, то коэффици­ент трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения заданного напряжения на нагруз­ке, должен быть равен

Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной об­мотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называе­мая обратным напряжением , в нашем случае равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора , т. е.