Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Обший курс.doc
Скачиваний:
26
Добавлен:
09.09.2019
Размер:
14.5 Mб
Скачать

4. Некоторые аспекты электроники.

4.1. Нелинейные электрические цепи.

4.1.1. Параметры и характеристики нелинейных элементов.

Основные определения

Нелинейными электрическими цепями переменного тока называют такие электрические цепи, в состав которых входит один или несколько нелинейных элементов.

Как известно, прохождению переменного тока оказывают сопротивление не только резистивные, но и индуктивные и емкостные элементы. В соответствии с этим нелинейные элементы для переменного тока можно подразделить на три группы: 1) резистивные; 2) индуктивные; 3) емкостные. Каждую из этих групп можно подразделить на управляемые и неуправляемые.

Управляемые нелинейные элементы обычно имеют один или несколько управляющих электродов (зажимов) или управляющих обмоток, включаемых в управляющую цепь (цепи), воздействуя на ток или напряжение которых можно управлять сопротивлением в главной цепи. При отсутствии специальных управляющих электродов или обмоток управляющий ток или напряжение могут воздействовать на нелинейный элемент через электроды или обмотки главной цепи.

Широкое распространение в качестве управляемых нелинейных резистивных элементов получили транзисторы и тиристоры, трех (и более) электронные лампы.

Неуправляемыми нелинейными резистивными элементами в упомянутом смысле являются германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды, электрическая дуга, тиритовые сопротивления, терморезисторы, бареттеры, лампы накаливания и др.

Простейшей нелинейной цепью является электрическая цепь, которая содержит кроме источника эдс одно нелинейное сопротивление (резистор), т. е. элемент, сопротивление которого не является постоянной величиной, а зависит от тока. Предполагается при этом, что реактивных элементов, т. е. ёмкостей и индуктивностей, в цепи нет. Поэтому уравнение такой нелинейной цепи будет уравнением алгебраическим (а не дифференциальным).

Свойства нелинейного сопротивления выражаются непосредственно зависимостью тока i, протекающего через сопротивление, от напряжения и на его концах. Эта зависимость носит название вольтамперной характеристики и может быть записана как

i = f(u) (4.1)

Задавшись напряжением в функции времени, можем найти ток также как функцию времени. Это делается или графически, или аналитически.

Графическое построение показано на рис. 1.1. В левой части рисунка изображены: сверху — характеристика нелинейного сопротивления I = f(u), снизу — u = f(t) (для простоты выбрано синусоидальное напряжение).

Рис. 4.1

Заметим, что форма кривой тока (на рис 4.1. справа) отличается от формы кривой напряжения. Это отличие является принципиальным фактором для нелинейной цепи и имеет очень большое значение. Подобие форм кривых напряжения и тока возможно только в случае линейной цепи, когда её вольтамперная характеристика представляется прямой линией.

Для нелинейной системы общем случае связь между входным сигналом uвх (t) и выходной реакцией uвых (t) устанавливается нелинейной функциональной зависимостью вида:

uвых (t)= f(uвх ,t) (4.2)

Исследование нелинейной цепи в общем случае — задача весьма сложная в том отношении, что при математическом описании внутреннего состояния системы мы приходим к проблеме решения нелинейных дифференциальных уравнений. Известно, что применительно к ним оказываются несправедливыми большинство приемов и методов, которые позволяют относительно легко решать линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Тем не менее, возможны случаи, когда исследование нелинейных систем удается довести до конца относительно простыми способами. Для этого достаточно потребовать, чтобы нелинейная зависимость вида (4.2) не содержала времени в явном виде. Физически такое требование означает безынерционность нелинейного элемента, т. е. мгновенное установление выходной реакции вслед за изменением внешнего входного воздействия.

Безынерционных нелинейных элементов, строго говоря, не существует. Однако эта идеализация достаточно точна, если характерное время изменения входного сигнала значительно превышает время установления процесса внутри самого нелинейного элемента.

Следует отметить, что инерционность нелинейных резистивных элементов во многом определяется степенью влияния температуры нагрева, обусловленной протекающими по ним токами, на форму вольтамперной характеристики.

Так как тепловые процессы (процессы нагрева и остывания) являются процессами инерционными, то резисторы, нелинейность вольтамперной характеристики которых в основном обусловлена изменением температуры в результате нагрева протекающим через них током, принято называть инерционными.

Резисторы, нелинейность вольтамперной характеристики которых обусловлена иными (не тепловыми) процессами, принято называть безынерционными или почти безынерционными.

К группе инерционных резисторов относят электрические лампы накаливания, терморезисторы, бареттеры; к группе безынерционных или почти безынерционных — электронные лампы, полупроводниковые диоды и транзисторы

4.1.2. Нелинейные элементы радиоэлектронных устройств.

С точки зрения радиотехники основными нелинейными элементами (как только что было отмечено, почти безынерционными) являются полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы, а также вакуумные электронные приборы — электронные лампы.

Современные полупроводниковые приборы весьма совершенны по своим частотным свойствам. Равновесное (стационарное) состояние может устанавливаться в них за время порядка 10-11 с. Поэтому предположение о безынерционном характере внутренних процессов в нелинейных радиотехнических элементах, как правило, бывает оправданным.

Полупроводниковые электронные приборы. Основные понятия

К полупроводникам, как известно, относятся вещества с удельной электропроводностью от ~ 5 • 105 ом-1•см-1 до 10-10 ом-1•см-1 и обладающие электронной проводимостью. Удельная электропроводность около 105 ом-1•см-1 и более соответствует металлам, а порядка 10-10 ом-1•см-1 и менее — изоляторам. Если проводимость металлов объясняется свободным движением валентных электронов, то в чистых полупроводниках обычно почти все электроны находятся в связанном состоянии и не могут принимать участия в осуществлении проводимости.

Характерным свойством полупроводника можно является зависимость его электропроводности от температуры. Если электропроводность металлов с понижением температуры растет и с приближением к абсолютному нулю достигает весьма больших значений (явление сверхпроводимости), то у полупроводников картина обратная: с понижением температуры они уменьшают свою проводимость, становясь вблизи абсолютного нуля изоляторами.

В настоящее время наиболее употребительными материалами для изготовления полупроводниковых приборов, и в частности диодов и триодов (транзисторов), являются германий и кремний. Рассмотрим на их примере, какими способами можно изменять проводимость полупроводников.

Атомы германия и кремния имеют на внешней орбите по четыре валентных электрона. Каждый из атомов расположен в центре правильного тетраэдра, в вершинах которого находятся соседние атомы. Любая связь между атомами образована двумя электронами (ковалентная связь), из которых один относится к числу четырех валентных электронов одного атома, а второй — к числу валентных электронов другого. Такая структура рассматриваемого кристалла германия или кремния соответствует изолятору, если тем или иным способом не будет нарушена целость кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка может быть разрушена различными способами. При этом выбитый из решётки электрон будет находиться в беспорядочном тепловом движении в кристалле до тех пор, пока не попадет либо обратно на свою связь, либо на другую, где также нет электрона. Если наложить на кристалл электрическое поле, то выбитые из связей электроны можно заставить упорядоченно двигаться, что равносильно протеканию электрического тока (под направлением тока понимается обычно направление движения электронов).

В той связи, из которой был выбит электрон, образуется дырка. Поскольку отсутствие электрона можно рассматривать как локальный положительный заряд, то, наложив на кристалл электрическое поле, можно заставить дырки упорядоченно двигаться (дрейфовать), что также равносильно протеканию электрического тока, но в другом направлении (в противоположном по отношению к движению дырок и в том же, куда направлен электронный ток).

Проводимость, создаваемая свободными (избыточными) электронами, называется электронной или проводимостью n-типа (от английского слова negative — отрицательный). Проводимость, создаваемая движением дырок, называется дырочной или проводимостью p-типа (positive — положительный). Необходимо подчеркнуть, что реально и в случае дырочной проводимости носителями тока по-прежнему являются электроны. При электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое количество электронов поочередно заменяют друг друга в связях. Возможность одновременного и раздельного существования в кристалле двух указанных типов проводимости является одним из основных положений теории полупроводников.

Наиболее эффективным и в то же время простым методом является введение в кристалл различных примесей, например, пятивалентного мышьяка, в результате чего кристалл германия или кремния приобретает проводимость п-типа. Этот кристалл, обладающий электронной проводимостью, называется кристаллом типа п.

Если в качестве примеси вместо мышьяка использовать трехвалентный бор, то в полученном в результате этого кристалле практически будет иметь место только процесс проводимости, осуществляемый дырками. Подобного рода примеси превращают кристалл в кристалл типа p.

Из сказанного можно также сделать вывод, что проводимость полупроводника в значительной степени зависит от температуры.

Избыточные электроны в кристалле полупроводника n-типа и избыточные дырки в кристалле p-типа называются основными носителями. Кроме основных в полупроводниках может находиться некоторое количество неосновных носителей. К ним относятся дырки в полупроводнике n-типа и электроны в полупроводнике p-типа.

Основные носители сохраняются обычно в объеме кристалла в течение неопределенно продолжительного времени. В противоположность им время жизни неосновных носителей существенно ограничено и составляет (для германия) от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Следует отметить, однако, что неосновные носители играют существенную роль в работе полупроводниковых приборов.

Электрические переходы. Определение и основные виды

Электрическим переходом называют переходный слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами электропроводности или разными величинами удельной электрической проводимости.

Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая — электропроводность n-типа, называют электронно-дырочным переходом или p - n переходом.

Если же переходы образованы полупроводниковыми областями с электропроводностью одного типа, но отличающимися величиной удельной электрической проводимости, то такие переходы называют электронно-электронными (п+- п переход) или дырочно-дырочными (р+- р переход).

Одна из областей, образующих переход, может быть металлом. Такой переход называют переходом металл — полупроводник.

Для изготовления переходов используются различные технологические методы, например легирование части кристалла n-полупроводника акцепторными примесями путем их диффузии из газообразной или жидкой среды, содержащей атомы нужной примеси (диффузионный переход). Используют также метод вплавления в полупроводник металла или сплава, содержащего акцепторные или донорные примеси (сплавной переход), и др.

Так, одним из наиболее распространенных в настоящее время способов получения р — п перехода является вплавление трехвалентного элемента (обычно индия) в монокристалл германия с проводимостью п -типа. При этом часть индия диффундирует в германий и создает там область с p- проводимостью.

Полупроводниковый диод.

Полупроводниковыми диодами называют электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом, имеющие два вывода. Такой диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором одним из технологических методов выполнен электрический переход. К двум полупроводниковым областям, образующим переход, привариваются или припаиваются выводы из металлической проволоки, и вся система заключается в стеклянный, металлический, пластмассовый или керамический корпус или же опрессовывается специальной смолой кремниевого диода в стеклянном корпусе и диффузионного бескорпусного диода.

Одна из полупроводниковых областей, образующих р – п переход, имеет более высокую концентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая полупроводниковая область — базу.

Большинство полупроводниковых диодов выполняется как на основе электронно-дырочных переходов как типа п – р , так и типа р – п.

Рис. 4.2. Схематическое устройство плоскостного диода с р – п переходом

Из сказанного выше становится очевидным, что основной частью полупроводниковых диодов (как, впрочем, и других полупроводниковых приборов), является электронно-дырочный или p n переход. Как указывалось выше, он получается в монокристалле полупроводника, если часть кристалла имеет проводимость n – типа, а другая часть — p – типа.

Можно показать, что р – п переход обладает важным свойством: очень хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо — в другом. То направление, в котором для данного диода ток больше, т. е. сопротивление меньше, называется прямым направлением тока. Противоположное направление тока называют обратным или запирающим направлением.

Величина тока в прямом направлении определяется, в основном, сопротивлением объема полупроводника. Ток в обратном направлении, образующийся за счёт неосновных носителей, незначителен. Однако, при больших значениях обратной разности потенциалов, электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления существующего потенциального барьера. В результате обратный ток возрастает и при дальнейшем увеличении разности потенциалов наступает электрический пробой.

На рис 4.3. показана реальная вольтамперная характеристика плоскостного диода, в котором pn переход представляет собой два слоя с различными типами проводимости. Допустимая величина тока в прямом направлении определяется в основном площадью pn перехода. Диоды указанного типа изготовляются с допустимыми значениями токов до нескольких сотен ампер.

Рис. 4.3. Вольтамперная характеристика плоскостного диода с pn

переходом.

Для удобства изображения масштабы по обеим осям выбраны различными для прямого и обратного направления тока.

Термоэлектронная эмиссия. Вакуумный диод.

Электронной лампой называется электронный электровакуумный прибор, предназначенный для различного рода преобразований электрических величин.

В электронных лампах используется явление термоэлектронной эмиссии — излучение электронов с поверхности электрода, называемого катодом, при его нагревании. Под действием тепла некоторые электроны приобретают скорость, позволяющую им покинуть катод. В электронных лампах, кроме катода, излучающего электроны, всегда имеется другой электрод — анод. Анод собирает электроны, когда между анодом и катодом приложено положительное напряжение, заставляющее электроны двигаться от катода к аноду.

Катод и анод, помещенные в стеклянный или металлический баллон, внутри которого поддерживается высокий вакуум, необходимый для свободного движения электронов практически без столкновений с молекулами газа, образуют двухэлектродную электронную лампу — вакуумный диод. Диоды применяются в различных электронных схемах, например, для амплитудного ограничения сигналов.

Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в источниках питания, называются кенотронами.

Условное обозначение диода показано на рис. 4.4, а. Электроды диода — катод и анод — обозначены буквами К и А.

В электронных лампах применяют катоды прямого и косвенного накала. На рис. 4.4, а показано принятое на схемах обозначение диода с косвенным накалом. При косвенном накале электрическим током разогревается нить накала, проходящая внутри керамической трубочки. Катодом является металлический цилиндрик, надетый на трубочку и разогреваемый от нее. Благодаря большой тепловой инерции для накала нити можно применять переменный ток промышленной частоты.

Рис. 4.4. Вакуумный диод.

а) – условное обозначение, б) – вольтамперная характеристика

На рис. 4.4, 6 сплошной линией показана вольтамперная характеристика диода. Из рисунка следует, что анодный ток диода отличен от нуля даже при U = 0. Объясняется это тем, что электроны, покидающие катод, обладают энергией за счет теплового нагрева катода. Чтобы анодный ток диода стал равен нулю, требуется приложить между анодом и катодом отрицательное напряжение порядка — 0,1 В.

Основным преимуществом лампового диода перед полупроводниковым является то, что в первом отсутствует обратный ток.

Недостатками лампового диода по сравнению с полупроводниковым являются:

  • значительно большие габаритные размеры;

  • наличие источника питания, который необходим для разогрева катода, обеспечивающего термоэлектронную эмиссию;

  • более высокое сопротивление диода в прямом направлении.

В первом приближении можно считать, что при анодном напряжении, равном нулю или отрицательному значению, анодный ток диода равен нулю. При положительных напряжениях электроны, достигающие анода, образуют анодный ток, который можно считать подчиняющимся закону степени трех вторых, т. е. пропорциональным анодному напряжению в степени три вторых:

(4.3)

при u>0, где kкоэффициент пропорциональности.

Закон степени трех вторых справедлив, когда благодаря термоэлектронной эмиссии вблизи катода создается облако электронов. Если приложенное напряжение достаточно для того, чтобы отобрать все электроны из облака пространственного заряда, закон степени трех вторых нарушается. Таким образом, ток в диоде ограничивается током насыщения Is, который тем больше, чем больше температура катода. На рис. 4.4, 6 зависимость степени трех вторых показана штриховой, а характеристика диода, близкая к реальной,— сплошной линиями. При анодном напряжении, меньшем напряжения насыщения и<US, диод работает в режиме пространственного заряда, а при и>USв режиме насыщения.

4.1.3. Выпрямление переменного тока

При подведении к нелинейному элементу переменной э. д. с. ток через него, в общем случае, приобретает дополнительную постоянную составляющую. Этим свойством нелинейных элементов широко пользуются для преобразования переменного тока в постоянный. Такие преобразователи носят название выпрямителей.

Поскольку выпрямители обычно применяются в качестве источников постоянного тока (вместо батарей, аккумуляторов и др.), величина потребляемого от выпрямителей тока оказывается достаточно большой, а сопротивление нагрузки Rн — относительно малым.

Простейшая схема выпрямительного устройства представляет собой последовательное соединение нелинейного элемента – полупроводникового диода – R(i) и нагрузки Rн (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Простейшая схема выпрямителя.

При таком включении R(i) и Rн оказываются соединенными в одну цепь с источником э. д. с. Если считать элементы цепи безынерционными, то принцип работы такого выпрямителя можно проиллюстрировать графиком рис. 4.6

Рис. 4.6. График, поясняющий работу схемы простейшего выпрямителя.

Следует отметить, что вольтамперную характеристику у обычно применяемых в выпрямительных схемах полупроводниковых диодах при больших амплитудах сигнала можно приближенно изображать отрезками прямых линий

Рис. 4.7.

(Рис. 4.7.).В этом случае ток в схеме будет состоять из отдельных полупериодов. Так как в рассматриваемом случае для получения постоянной составляющей используется только одна половина периода изменения тока, то и выпрямитель носит название однополупериодного.

Как видно из рисунка, при положительных значениях сигнала диод становится проводящим и, поскольку его сопротивление при этом мало, почти все падение напряжения окажется на нагрузке. На самом же диоде разность потенциала будет значительно меньше. При отрицательных значениях, напротив, все основное падение напряжения будет сосредоточено на диоде, так как его сопротивление становится много больше сопротивления нагрузки. Максимальное значение разности потенциалов, возникающее в этом случае на диоде носит название обратного напряжения и имеет большое значение при техническом проектировании выпрямителя. Значение обратного напряжения необходимо знать для выбора такого типа диода, который способен его выдержать.

В рассмотренной ранее схеме (Рис. 4.5) обратное напряжение равно максимальному отрицательному значению переменной э. д. с. При синусоидальной э. д. с. этим значением будет являться ее амплитуда.

Недостатками рассмотренных схем является малое использование тока (используется только один полупериод) и прохождение через нагрузку всех (постоянной и переменных) составляющих, что приводит к сильной «пульсации» тока.

Второй недостаток в значительной степени устраняется разделением путей для постоянной и переменных составляющих. Простейший способ уменьшения пульсации состоит в присоединении параллельно нагрузке конденсатора достаточно большой емкости (Рис. 4.8).

Рис. 4.8. Однополупериодный выпрямитель с простейшим фильтром

При такой схеме для промежутка времени t0 < t < t1 диод является проводником, и эквивалентная схема представляет собою параллельное соединение источника э. д. с., нагрузки и конденсатора. При достижении э. д. с. источника максимального значения конденсатор сразу же зарядится до этого значения, так как внутреннее сопротивление диода в прямом направлении Ri предполагается малым. Затем при уменьшении э. д. с. источника (t1 < t < t3) конденсатор начнет разряжаться. Однако проходить через диод с односторонней проводимостью ток в этом направлении не может, и разряд происходит через нагрузку. Ток разряда уменьшается по экспоненциальному закону:

(4.4)

Таким образом, в промежуток времени t1 < t < t3 ток не будет снижаться до нуля, как это было в схеме рис. 1.6, а при достаточно большой постоянной времени τ = RнС изменится лишь незначительно (Рис. 4.9, а.).

Начиная с момента времени t3 э.д.с. источника станет больше разности потенциалов на нагрузке, и ток опять будет проходить от источника к нагрузке и одновременно заряжать конденсатор.

В результате получается кривая такой формы, при которой значение постоянной составляющей значительно больше, а переменных составляющих значительно меньше, чем в схеме без конденсатора. Увеличение емкости конденсатора приводит к уменьшению амплитуды пульсаций (Рис. 4.9, б.)

а б

Рис. 4.9. Эпюра напряжения для однополупериодного выпрямителя

В предельном случае (С → ∞) постоянная составляющая разности потенциалов на нагрузке будет равняться амплитудному значению разности потенциалов источника э. д. с. (Рис. 4.10.)

Рис. 4.10

Как нетрудно видеть из эквивалентной схемы рис. 4.11, обратное напряжение на диоде при включении конденсатора повышается и может дойти до удвоенного амплитудного значения э. д. с. источника и = е + ин;

Рис. 4.11

Для уменьшения пульсации выпрямленного тока применяют более сложные схемы фильтров, две из которых показаны на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Однополупериодные выпрямители с более сложными схемами фильтров.

Первый из упоминавшихся выше недостатков выпрямительных схем — малое использование тока — устраняется применением специального повышающего трансформатора, позволяющего составить схему двухполупериодного выпрямителя. Для этого повышающая обмотка выполняется в виде двух соединённых между собой секций. Средняя точка между ними присоединяется к нагрузке непосредственно, а концы обмоток— через диоды. Последние включаются таким образом, чтобы в положительный полупериод ток шел через один из них, а в отрицательный — через другой. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя изображена на рис. 4.13, а.

а) б)

Рис. 4.13. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, использующего обмотку трансформатора со средним выводом (а) и эпюра

выпрямленного напряжения (б)

Там же даны графики для выпрямленного напряжения без применения фильтра (Рис. 4.13, б.) Присоединение фильтра приводит к результатам, рассмотренным выше, но оно более эффективно, чем при однополупериодном выпрямлении. Это следует из того, что через сопротивление нагрузки конденсатор разряжается значительно меньшее время.

Обратный потенциал в двухполупериодной схеме с фильтром может также достигать удвоенного амплитудного значения разности потенциалов на половине повышающей обмотки.

Кроме рассмотренных схем выпрямителей, имеется много других вариантов соединения полупроводниковых диодов и нагрузки. Из них наиболее часто применяемой на практике является мостовая схема (схема Греца), рис. 4.14.

Рис. 4.14. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Основным достоинством мостовой схемы является небольшая пульсация выпрямленного тока (соответствующая случаю двухполупериодного выпрямления) при возможности обходиться без среднего вывода вторичной обмотки трансформатора. Кроме того, обратное напряжение Uобр на каждом диоде (как видно из приведённой выше схемы) не превышает амплитудного значения входной э. д. с.

Некоторым недостатком мостовой схемы является прохождение тока через два нелинейных элемента — диода — соединенных последовательно. При больших токах данное обстоятельство может вызывать достаточно сильный нагрев выпрямителя.

10