Тиристори

Тиристор - це напівпровід­никовий прилад, що має багатошарову структуру і ВАХ якого має ділян­ку з негативним опором. Його використовують як перемикач струму.

Тиристори бувають двоелектродні - диністори та три­електродні - триністори.

Тиристор - це чотиришаровий перемикаючий прилад, у якого від однієї з базових областей зроблено вивід - керуючий електрод.

Структура та умовне позначення тиристора на­ведені на рис. 2.35.

Подаючи між керуючим електродом та катодом пряму напругу на p-n перехід, що працює у прямому напрямку, можна регулювати вели­чину U. Цю головну властивість тиристора демонструє його ВАХ, наведена на рис. 2.36.

Тиристори мають багато параметрів. Основні з них:

1) Статичні параметри:

- струм вмикання;

- струм утримання (мінімальний прямий струм увімкненого тирис­тора при розімкненому колі керування, при подальшому зниженні якого тиристор переходить у непровідний стан), становить (0.01 0,7) А,

- порогова напруга , становить до 2 В

2) Граничні параметри:

- максимально допустиме значення середнього струму через тирис­тор за певних умов охолодження І_гр, складає (0,1 2000) А,

- максимально допустиме амплітудне значення зворотної напруги = (100 24000) В,

- струм робочого перевантаження, сягає 3І_гр,

- ударний струм у відкритому стані, що не повторюється, сягає 20 І_гр ,

- допустима середня потужність втрат у відкритому стані.

3) Динамічні параметри:

- час вмикання (час переходу тирис­тора з непровідного стану у провідний), що становить (1 10) мкс,

- час вимикання (мінімальний про­міжок часу між проходженням через нуль прямого струму та повторним прикладен­ням напруги до тиристора, що не викликає самовільного вмикання приладу - час відновлення запірних властивостей), становить (10 500) мкс;

- допустима швидкість зростання відновлюваної напруги на тиристорі, що не призводить до його самовільного вмикання за рахунок ємнісною струму зміщення структури) та внутрішнього додатного зворотного зв'язку = 20 - 500 В/мкс

- допустима швидкість зростання прямого струму, що не призво­дить до виходу тиристора з ладу за рахунок локального перегріву струк­тури = =10-70 А/ мкс

4) Параметри кола керування:

- це значення постійного та імпульсного струмів кола керування при напрузі джерела у ньому 12 В, та відповідні їм падіння напруги в колі керування.

Слід зазначити, що тривалість імпульсу керування повинна бути більшою за час вмикання тиристора - звичайно становить (15 20) мкс для активного навантаження.

9. Оптоелектронні ІМС

Інтегральна мікросхема (ІМС) - це електронний прилад з високою щільністю пакування електрично зв’язаних елементів, який виконує деяку функцію обробки або перетворення електричних сигналів і який, з точки зору конструктивно-технологічних та експлуатаційних вимог, є одним цілим.

Залежно від технології виробництва ІМС поділяють на:

- гібридні (виконуються на основі безкорпусних дискретних елект­ронних приладів, що прикріплюються до ізоляційної основи, на яку на­несено плівкові елементи - резистори, конденсатори і т. п., а також з’єднуючі провідники);

- напівпровідникові (всі елементи виконуються на основі єдиного кристалу НП).

За складністю ІМС поділяють на чотири групи:

- малий ступінь інтеграції (до 30 елементів у схемі);

- середній ступінь інтеграції(30 150 елементів);

- великий ступінь інтеграції^ 150 1000 елементів);

- надвеликий ступінь інтеграції (понад 1000 елементів).

На відміну від дискретних елементів (діоди, транзистори), ІМС ста­новлять функціональні пристрої, призначені для перетворювання елек­тричних сигналів або енергії.

Залежно від призначення, ІМС для неї можуть нормуватися різні па­раметри, що характеризують її як функціональний пристрій в цілому.

За призначенням усі ІМС поділяються на два класи:

1) лінійно-імпульсні (або аналогові);

2) логічні (або цифрові).

До лінійно-імпульсних відносять ІМС, які виконують функції пере­творення й обробки електричних сигналів, що змінюються за законом безперервної функції. До них належать різні підсилювачі, генератори, стабілізатори струму та напруги.

Основні параметри підсилювачів:

- коефіцієнт підсилення напруги

- вхідний опір

- максимальна вихідна напруга

- робочий діапазон частот.

Основні параметри стабілізаторів:

- коефіцієнт стабілізації

- напруга стабілізації ;

- максимальна потужність

- діапазон зміни вхідної напруги.

До логічних (цифрових) відносять ІМС, які виконують функції пере­творення й обробки електричних сигналів, що змінюються за законом дискретної функції (зазвичай це двійковий цифровий код).

Параметри таких схем:

- рівень логічного нуля;

- рівень логічної одиниці;

- швидкодія.

Основні переваги ІМС:

- висока надійність;

- малі габарити і маса;

- незначна споживана потужність;

- невисока вартість;

- високий рівень швидкодії.

Недолік - невелика вихідна потужність (50+100 мВт).

Оптрони (оптопари) – це ІМС у якій електричний сигнал перетворюється у оптичний, який в свою чергу перетворюється у електричний вихідний сигнал. Таке подвійне перетворення дозволяє організувати гальванічну розв’язку двох електричних ланцюгів. У деяких оптопарах можна зробити прості перетворення електричного сигналу.

До складу оптрону входить:

1) елемент, що перетворює електричний сигнал у оптичний(найчастіше це світо діод)

2) елемент, який перетворює оптичний сигнал у електричний

3) оптичне середовище, яке концентрує та передає оптичний сигнал від світло діода до фотоприймача. Це оптичне середовище може бути пасивним коли його оптичні параметри не змінюються. У активного середовища спеціальним сигналом можна змінювати коефіцієнт заломлення та інше.

Назва оптрону визначається типом фотоприймача: діодна, резисторна, транзисторна, тірісторна.

Електричні схеми та вихідні характеристики оптронов з фоторезистором (а), фотодіодом (б) і фототірістором (в): 1 - напівпровідниковий світловипромінювальних діод; 2 - фоторезистор; 3 - фотодіод; 4 - фототірістор; U і I - напруга і струм у вихідній ланцюга оптрона. Пунктирні криві відповідають відсутності струму у вхідному ланцюзі оптрона, суцільні - двом різним значенням вхідних струмів.

10. Підсилювачі потужності

Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для посилення потужності електричного сигналу без спотворення його фор­ми і частоти.

Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша від потужності навантаження. У такому разі послідовно з навантаженням вмикають зовнішнє джерело живлення і підсилюючий елемент ПЕ. Джерело сигналу діє не безпосередньо на навантаження, а на вхід ПЕ і, змінюючи провідність останнього, забезпечує пропорційні вхідному сигналу зміни струму у колі навантаження. В результаті у навантаженні виділяється необхідна вели­чина потужності за рахунок енергії джерела живлення.

В якості ПЕ в сучасних підсилювачах зазвичай використовують тран­зистори (біполярні або польові), рідше - електронні лампи.

Загальна структурна схема підсилювача наведена на рис. 3.1.

Вхідний сигнал від керуючого джерела енергії (джерела вхідно­го сигналу) подається на вхідні клеми (1)-(2) підсилювача через внутрішній опір джерела . Потужність джерела вхідного сигналу виділяється на вхідному опорі підсилювача . Навантаження підмикається до клем (3)-(4). Вхідний малопотужний сигнал керує енергією, що подасться в навантаження від джерела живлення значно більшої потужності . Таким чином, зав­дяки використанню ІІЕ і зовнішнього джерела живлення стає можли­вим підсилення малопотужного вхідного сигналу.

Підсилювачі класифікуються за такими ознаками:

1) призначення;

2) частота сигналу, що підсилюється;

3) форма сигналу;

4) характер зміни з часом сигналу, що підсилюється.

Всіці ознаки накладають специфічні вимоги до побудови конкретних схем підсилювачів.

За призначенням підсилювачі поділяються на підсилювачі напруги, струму та потужності. Тобто вони забезпечують на виході необхідний рівень напруги, струму або потужності.

У підсилювача потужності, за рахунок чого забез­печується максимальна потужність як у вхідному, так і у вихідному колах.

За частотою підсилювачі поділяються на підсилювачі низької частоти (від одного герца до десятків кілогерц), середньої частоти (від десятків кілогерц до мегагерца) та високої частоти (більш за мегагерц).

За формою сигналу, що підсилюється, вони поділяються на підсилю­вачі гармонічних та імпульсних сигналів.

За видом зв’язку між джерелом сигналу та каскадами підсилювачі поділяються на підсилювачі з безпосереднім, резистивним. оптронним, резистивно-ємнісним, трансформаторним або резонансно-трансфор­маторним зв’язком.

11. Основні параметри підсилювачів

Т — транзистор;

R — резистор навантаження;

R е — резистор в ланцюзі емітера; Д — стабілітрон;

U вх — напруга на вході;

U вих — напруга на виході;

Е — напруга джерела електроживлення

12. Основні характеристики підсилювачів

Підсилювальні властивості підсилювача оцінюються такими харак­теристиками:

1) коефіцієнт підсилення – для лінійного підсилювача це:

• за напругою ;

• за струмом ;

• за потужністю .

У загальному випадку величини К_U та К_І є комплексними. Тому

13. (3.1)

де К – модуль коефіцієнта підсилення;

φ_вих , φ_вх – фази вихідного та вхідного сигналів;

φ – зсув фаз між вхідним та вихідним сигналами.

Величина К_р= К_U •К_І – завжди дійсне число.

У багатьох випадках коефіцієнт підсилення представляють у лога­рифмічних одиницях-децибелах (дБ):

К_U (дБ)=20[lg К_U ] ; К_І (дБ)=20[lg К_І]; К_Р (дБ)=10[lg К_Р].

Для зворотного переводу коефіцієнтів підсилення з дБ користуються формулами:

14.

2) вхідний опір за постійним або змінним (залежно від виду підсилювача) струмом ;

3) вихідний опір підсилювача R_вux (опір між вихідними клемами підси­лювача за вимкненого опору навантаження);

4) коефіцієнт корисної дії (к.к.д.): ,

де Р_заг – загальна потужність, що відбирається від джерела живлення.

Основними характерис­тиками підсилювачів є амплітуд­на та аплітудно-частотна, які наве­дені на рис. 3.2. та рис. 3.3 відповідно.

Амплітудна характеристика являє собою залежність вихідної напруги від вхідної U_вих=f(U). На рисунку позначено:

аб — робоча ділянка, на якій пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного;

бв — режим насичення (тут із ростом вхідного сигналу ріст вихід­ного припиняється – підсилювач виходить із лінійного режиму).

(U_{вх mах}, U_{вх min}) – робочий діапазон вхідної напруги. Нелінійність характеристики при вхідних напругах, що менші за U_вх.min пояснюється наявністю шумових сигналів.

15. Зворотні звязки у підсилювачах

У підсилювачах широко застосовується зворотний зв’язок "ЗЗ". Його сутність полягає в тому, що певна частина вихідного сигналу (напруги або струму) повертається на вхід підсилювача. У ряді випадків завдяки цьому вдається істотно поліпшити деякі важливі характеристики та параметри підсилювачів.

Вперше чітке поняття про зворотний зв’язок з’явилось саме в радіоелектроніці. Звідси воно було запозичене теорією автоматичного регулювання та кібернетикою. В широкому плані ЗЗ як вплив результатів певного процесу на умов його протікання став за нашого часу фундаментальним поняттям, якому належить важлива роль у багатьох природничих та гуманітарних науках - хімії, біології, психології, соціології, економіці, тощо.

1. 
   Послідовний зворотний зв’язок за напругою
   
   При послідовному зворотному зв’язку за напругою частина вхідної напруги подається на вхід підсилювача послідовно з зовнішнім вхідним сигналом (рис.4.1). Отже, вхідна напруга підсилювача дорівнюватиме
   
   (4.1)
   
   Коефіцієнт підсилення підсилювача дорівнює , де - модуль коефіцієнта підсилення, - поворот фази сигналу, спричинюваний підсилювачем; обидві ці величини можуть залежати від частоти сигналу. Аналогічно і - коефіцієнт передачі чотириполюсника зворотного зв’язку - може бути величиною комплексною , де і також можуть залежати від частоти.
   
   Вихідна напруга . Підставивши сюди замість вираз (4.1), одержимо:
   
   ,
   
   а згрупувавши члени, дістанемо ефективний коефіцієнт підсилення підсилювача, охопленого зворотним зв’язком :
   
   (4.2)
   
   де - поворот за фазою сигналу, який пройшов через підсилювач і повернувся на його вхід, тобто повний поворот за фазою в колі зворотного зв’язку.
   
   Нескладними перетвореннями комплексних величин, що входять у вираз (4.2)¹, можна одержати модуль коефіцієнта підсилення
   
   (4.3)
   
   
   

1. 
   Позитивний та негативний зворотний зв’язок

Найбільш простий вигляд вираз (4.3) набуває при або . Позитивним зворотним зв’язком (ПЗЗ) називається випадок, коли (або , де ). При цьому сигнал зворотного зв’язку буде синфазним із вхідною напругою підсилювача і ефективний коефіцієнт підсилення дорівнюватиме

(4.4)

Таким чином ми одержуємо простий спосіб збільшення коефіцієнту підсилення - досить лише створити позитивний зворотний зв’язок. Спрямовуючи до одиниці можна одержати як завгодно великий коефіцієнт підсилення. Щоправда, як ми покажемо далі, ціною погіршення стабільності, частотних властивостей та інших важливих характеристик підсилювача.

Слід взяти до уваги, що та - модулі і можуть бути тільки позитивними числами. Тому при вираз (4.4) втрачає сенс. Далі буде показано, що при виникає самозбудження коливань і підсилювач перетворюється на автогенератор.

При ( або ) сигнал зворотного зв’язку є протифазний до вхідної напруги і послаблює останню. Такий зворотний зв’язок має назву негативного (НЗЗ). Ефективний коефіцієнт підсилення НЗЗ дорівнює

, (4.5)

тобто він завжди менший від коефіцієнта підсилення «чистого» підсилювача .

16. Схема попереднього підсилювача з спільною базою

Підси́лювальний каска́д зі спі́льною ба́зою (СБ) — одна з трьох типових схем побудови електронних підсилювачів на основі біполярного транзистора. Характеризується відсутністю підсилення по струму (коефіцієнт передачі близький до одиниці, але менше одиниці), високим коефіцієнтом підсилення по напрузі і помірним (в порівнянні зі схемою зі спільним емітером) коефіцієнтом підсилення по потужності. Вхідний сигнал подається на емітер, а вихідний знімається з колектора. При цьому вхідний опір дуже малий, а вихідний — великий. Фази вхідного і вихідного сигналу збігаються.

Особливістю схеми зі спільною базою є мінімальний серед трьох типових схем підсилювачів «паразитний» зворотний зв'язок з виходу на вхід через конструктивні елементи транзистора. Тому схема зі спільною базою найчастіше використовується для побудови високочастотних підсилювачів, особливо поблизу верхньої границі робочого діапазону частот транзистора.

· Коефіцієнт підсилення по струмі: I_вих/I_вх=I_к/I_е=α [α<1]

· Вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_е.

Вхідний опір для схеми зі спільною базой малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

Переваги:

· Гарні температурні та частотні властивості

· Висока допустима напруга

Недоліки

· Мале підсилення по струму, оскільки α < 1

· Малий вхідний опір

· Два різні джерела напруги для живлення

Схема!

17. Схема попереднього підсилювача з спільним емітером

Схема зі спільним емітером — схема включення біполярного транзистора як чотириполюсника.

При схемі підключення транзистора зі спільним емітером (СЕ) вхідний сигнал подається на базу, а знімається з колектора. При цьому фаза вихідного сигналу відрізняється від вхідного на 180°. Підсилює і струм, і напругу.

Особливістю схеми зі спільним емітером є максимальний серед трьох типових схем підсилювачів коефіцієнт підсилення за потужністю, тому схема найбільш розповсюджена. Проте при такій схемі мають місце ряд негативних проявів:

· відносно високі впорівнянні з іншими схемами включення транзистора нелінійні спотворення сигналу, що обумовлюється нелінійністю вхідної характеристики транзистора та високим вихідним опором схеми;

· низька частота зрізу через внаслідок ефекту Міллера.

Крім того, при даній схемі підключення, на характеристики підсилювача значно впливають зовнішні чинники, такі як напруга живлення, або температура довкілля. Зазвичай для компенсації цих чинників застосовуютьнегативний зворотний зв'язок, але він знижує коефіцієнт підсилення.

· Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_б=α

· Коефіцієнт підсилення по напрузі: U_вих/U_вх=U_к/U_б=α

·

18. Схема попереднього підсилювача з спільним колектором

Емітерний повторювач - окремий випадок повторювачів напруги на основі біполярного транзистора. Характеризується високим підсиленням по струму і коефіцієнтом передачі по напрузі, близьким до одиниці. При цьому вхідний опір відносно великий (проте він менший, ніж вхідний опір стокового повторювача), а вихідний — малий.

У емітерному повторювачі використовується схема підключення транзистора зі спільним колектором (СК). Тобто напруга живлення подається на колектор, а вихідний сигнал знімається з емітера. Внаслідок чого утворюється 100 % від'ємний зворотний зв'язок по напрузі, що дозволяє значно зменшити нелінійні спотворення, що виникають прироботі. Слід також відзначити, що фази вхідного і вихідного сигналу збігаються. Така схема включення використовується для побудови вхідних підсилювачів, у випадку якщо вихідний опір джерела великий, а також як вихідні каскади підсилювачів потужності.

Вихідні дані

Коефіцінт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_е/I_б=I_е/(I_е-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]

Вхідний опір: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бе+U_ке)/I_б