Е. Ю. САЛИТА

Конспект лекций по дисциплине

«ЭЛЕКТРОНИКА»

ОМСК 2007
Министерство путей сообщения Российской Федерации

Омский государственный университет путей сообщения

_________________

Е. Ю. Салита

Конспект лекций по дисциплине

«ЭЛЕКТРОНИКА»

Омск 2007

УДК 621.382 (076.5)

ББК 32.852 я73

С 16

Элементы электронных схем: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электроника» / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. 49 с.

Изложены краткие теоретические сведения о физических основах работы, устройстве, принципе действия и схемах включения различных полупроводниковых приборов: диодов, биполярных транзисторов, обычных и запираемых тиристоров. Приведены описание лабораторных стендов, измерительных и регистрирующих приборов, рекомендации по исследованию свойств и характеристик полупроводниковых приборов и методика расчета их основных параметров.

Методические указания предназначены для студентов 3-го курса очной и заочной форм обучения специальности 101800 – «Электроснабжение железных дорог».

Библиогр.: 10 назв. Табл. 6. Рис. 23.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Зажирко;

канд. техн. наук П. В. Беляев.

_______________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………..………………………5

1. Предмет электроники, ее роль в науке и технике ……………………………...6

2. Полупроводниковые приборы ……..………………………………………….

2.1. Электрические свойства полупроводниковых материалов………………….

2.2. Механизм электрической проводимости полупроводников…………………

2.2.1. Собственная проводимость…………………...............................................

2.2.2. Примесная проводимость…………………………………………………….

2.3. Электронно-дырочный переход (ЭДП)……………………………………….

2.3.1. Технология изготовления ЭДП………………………………………………

2.3.1.1. Сплавная технология……………………………………………………….

2.3.1.2. Диффузионная технология…………………………………………………

2.3.2. ЭДП при отсутствии внешнего напряжения………………………………..

2.3.3. ЭДП при прямом напряжении……………………………………………….

2.3.4. ЭДП при обратном напряжении…………………………………………….

2.3.4.1. Механизм установления обратного тока при включении обратного

напряжения………………………………………………………………….

3. Полупроводниковые диоды……………………………………………………..

3.1. Вольт - амперная характеристика (ВАХ) диода……………………………….

3.2. Параметры полупроводниковых диодов………………………………………

4. Виды пробоев вентилей…………………………………………………………..

4.1. Зеннеровский пробой…………………………………………………………..

4.2. Лавинный пробой……………………………………………………………….

4.3. Тепловой пробой………………………………………………………………..

4.4. Поверхностный пробой…………………………………………………………

5. Основные типы полупроводниковых диодов…………………………………..

5.1. Устройство точечных диодов………………………………………………….

5.2. Устройство плоскостных диодов……………………………………………..

5.3. Условное обозначение силовых диодов………………………………………

5.4. Конструкция штыревых силовых диодов……………………………………..

5.5. Лавинные диоды………………………………………………………………...

5.6. Конструкции таблеточных диодов…………………………………………….

5.7. Стабилитрон (опорный диод)………………………………………………….

5.7.1. Основные параметры стабилитрона…………………………………………

5.7.2. Двухсторонние стабилитроны……………………………………………….

5.8. Туннельный диод (ТД)………………………………………………………….

5.9. Обращенный диод………………………………………………………………

5.9.1. Варикап………………………………………………………………………...

5.10. Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды…………...

6. Транзисторы…………………………………………………………………….

6.1. Распределение токов в структуре транзистора……………………………..

6.2. Схемы включения транзисторов. Статические ВАХ……………………….

6.3. Схема с общей базой……………………………………………………………

6.4. Схема с общим эмиттером……………………………………………………

6.5. Схема с общим коллектором……………………………………………………

6.6. Транзистор как усилитель электрических сигналов…………………………..

6.7. Краткие характеристики схем включения. Область применения схем……

6.7.1. Схема с общей базой…………………………………………………………..

6.7.2. Схема с общим эмиттером………………………………………………….

6.7.3. Схема с общим коллектором……………………………………………….

6.8. Режимы работы транзистора…………………………………………………

6.9. Пример транзисторного ключа………………………………………………

6.10. Малосигнальные и собственные параметры транзисторов………………….

6.11. Силовые транзисторные модули……………………………………………

6.12. Параметры биполярных транзисторов……………………………………..

6.13. Классификация и система обозначений транзисторов……………………

6.14. Полевые транзисторы……………………………………………………….

6.15. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом……………...

6.16. Полевые транзисторы с изолированным затвором……………………….

6.17. Характеристики транзисторов. Стоковые (выходные) характеристики…

6.18. МДП-транзисторы с индуцированным каналом…………………………..

6.19. Биполярные транзисторы с изолированным затвором

(IGBT-транзисторы)…………………………………………………………

6.19.1. Биполярные транзисторы с изолированным затвором………………...

6.19.2. Силовые модули на основе IGBT-транзисторов………………………...

7. Тиристоры……………………………………………………………………….

7.1. Переходные Процессы включения и выключения тиристора……………..

7.2. Лавинные тиристоры (ЛТ)……………………………………………………

7.3. Специфические типы тиристоров. Оптотиристоры………………………..

7.4. Тиристоры с улучшенными динамическими свойствами………………….

7.4.1. Тиристоры ТД………………………………………………………………

7.4.2. Тиристоры ТБ (быстродействующие)……………………………………..

7.4.3. Тиристоры ТЧ (частотные)………………………………………………...

7.5. Симметричные тиристоры (симисторы)…………………………………….

7.6. Полностью управляемые тиристоры (запираемые, выключаемые,

двухоперационные, GTO-тиристоры) ……………………………………….

Библиографический список……………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс современной техники базируется на применении электронных устройств. В системах электроснабжения и электроподвижного состава железнодорожного транспорта эксплуатируются преобразователи электроэнергии, устройства автоматики, телемеханики, релейной защиты и вычислительной техники, создаваемые на основе электронных полупроводниковых приборов. Уровень их эксплуатации зависит от квалификации инженерно-технических работников. Из этого следует, что необходимым условием подготовки инженерных кадров электрических железных дорог является изучение свойств полупроводниковых приборов, их характеристик, конструкции, принципа действия и условий эксплуатации.

Лабораторные работы по дисциплине «Электроника» должны помочь студентам закрепить полученные теоретические знания о свойствах и характеристиках электронных приборов, понять физические процессы, происходящие в них, приобрести практические навыки производства измерений и творческой исследовательской деятельности. В процессе выполнения лабораторных работ необходимо не только получить количественные характеристики, но и уяснить суть явлений и их взаимозависимость.

Отчет по результатам лабораторной работы оформляется на листах формата А4 или в специальной тетради и должен содержать цель работы; основные теоретические сведения; назначение, характеристику и паспортные данные исследуемого объекта; краткую характеристику применяемого метода исследования; порядок выполнения работы; схему измерения (установки); результаты эксперимента в виде таблиц и графиков; расчетные соотношения и математическую обработку результатов эксперимента (в виде расчетов, таблиц, графиков); выводы по результатам выполненной работы; ответы на контрольные вопросы.

При написании отчетов по лабораторным работам следует соблюдать требования стандартов по правилам оформления титульного листа, текстовой части, электрических схем, формул и таблиц.

1. Предмет электроники, ее роль в науке и технике

Одной из характерных особенностей развития науки и техники нашего века является развитие электроники. Без электронных устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. Усиленное развитие и применение электроники стимулируется самой жизнью. Проблемы электроники обсуждаются на различных научных конференциях. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие общества, но и на социальные вопросы, распределение рабочей силы, образование. Электронные устройства все шире применяют в быту, в промышленности и на транспорте.

Электроника – отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле (полупроводниковые приборы), в вакууме (электронно-ваккуумные приборы) и газе (ионные приборы). Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы. Электроника подразделяется на два крупных научных направления (рис. 1.1):

1) радиоэлектроника – применение электроники в радиотехнике и телевидении;

2) промышленная электроника (ПЭ) – применение электроники на транспорте, в промышленности и электроэнергетике.

В свою очередь промышленная электроника подразделяется на информационную и энергетическую.

К информационной электронике относятся электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами. Кроме того, это и устройства для передачи, обработки и отображения информации (усилители сигналов, генераторы напряжения, логические схемы, счетчики, индикаторы, дисплеи ЭВМ и т.д.).

Энергетическая электроника (преобразовательная техника) занимается преобразованием одного вида электрической энергии в другой (электрический привод, электрическая тяга, электроэнергетика, электротермия, электротехнологии).

Рис. 1.1. Научные направления электроники

Радиоэлектроника и информационная электроника – слаботочная электроника, энергетическая электроника – силовая электроника.

Основное направление в нашем процессе – энергетическая электроника.

В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается и передается к месту потребления на переменном токе. Это объясняется тем, что источник электрической энергии переменного тока – синхронный генератор прост как по своему устройству, так и с точки зрения эксплуатации. Кроме того, переменный ток позволяет осуществлять трансформацию электрической энергии, а, следовательно, и более экономично передавать ее на большие расстояния.

Однако ряд приемников электрической энергии нуждается в постоянном токе. Для одних приемников постоянный ток является единственно приемлемым видом тока (электрохимия, рентгенотехника), для других же видом тока, обеспечивающим ряд технических или экономических преимуществ электрической установки (электрический транспорт, грузоподъемные устройства, релейная защита, автоматика и т.д.). В настоящее время около 40 % вырабатываемой электрической энергии преобразуется в постоянный ток.

В частности на подвижном составе электрифицированных железных дорог (магистральные электрические железные дороги, городской электрический транспорт (трамвай, троллейбус), метрополитен, карьерный и шахтный транспорт) устанавливаются электродвигатели постоянного тока. В связи с этим в системе источник – приемник электрической энергии должен быть преобразователь переменного тока в постоянный.

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электрической энергии вызывает необходимость ее преобразовывать. Устройства, служащие для преобразования электрической энергии называются преобразователями. Основными видами преобразования электрической энергии является:

а) выпрямление – преобразование переменного тока в постоянный;

б) инвертирование – преобразование постоянного тока в переменный;

в) преобразование частоты.

Существует так же ряд других менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др.

В отдельных случаях используются комбинации нескольких видов преобразования. Преобразование электрической энергии может производиться различными способами, но более широкое применение нашли следующие:

1) вращающиеся преобразователи (электрические машины),

2) статические преобразователи, использующие нелинейные элементы с вольт-амперной характеристикой ключевого (релейного) типа, обладающие малыми потерями энергии.

Принцип первого вида заключается в том, что электроэнергия одного вида подается на электрический двигатель, являющийся приводом генератора, который вырабатывает новый вид электроэнергии. Этому способу присущи недостатки:

– инерционность;

– наличие подвижных частей;

– большие габариты, вес, шум, вибрация;

– низкий КПД, высокая стоимость и т.д.

В настоящее время уделяется большое внимание созданию способов статического преобразования электроэнергии. Большинство разработок основывается на использовании нелинейных элементов электронной техники.

Основными элементами статических преобразователей являются управляемые и неуправляемые электронные приборы с односторонней проводимостью – электрические вентили.

В зависимости от проводящей ток среды, по способу осуществления вентильной (односторонней) проводимости и по свойствам приборов, электрические вентили можно классифицировать следующим образом.

Рис. 1.2. Классификация электрических вентилей

Электровакуумные приборы называют электронными лампами, а газоразрядные – вследствие участия в рабочем процессе или приборов ртути – ионными.

Исторически, первыми были изобретены электровакуумные приборы (двухэлектродные в 1904 г., трехэлектродные в 1907 г.). Отличительная особенность электрических вентилей – разряжение в баллоне вентиля до величины 10^-6-10^-7 мм рт.ст. Электроны перемещаются без столкновений.

Их достоинства: позволяют выпрямлять переменный ток в постоянный и преобразовывать постоянный в переменный низкой или высокой частоты.

Их недостатки: небольшая мощность, токи меньше или равны 1А, вследствие ограниченной эмиссии с катодов, большой внутреннее сопротивление, поддержание высокого вакуума.

Газоразрядные приборы появились в 20-х годах, в 30-х годах большое распространение получили ионные вентили с жидким ртутным катодом. Применялись до 60-х годов в мощных выпрямителях трехфазного и однофазного тока промышленной частоты. Огромную роль сыграли при электрификации железных дорог.

Достоинства газораспределительных приборов:

– токи до нескольких сотен (тысяч) ампер;

– напряжение до 15 кВ.

Недостатки газораспределительных приборов:

– поддержание высокого вакуума в корпусе (0,1-0,5) мм рт.ст.;

– поддержание постоянной температуры корпуса t_к =(37-40)^°С посредством жидкостного охлаждения для сохранения оптимальной плотности ртутного пара;

– большие потери мощности и снижение КПД преобразователя (падение напряжения в ртутном вентиле составляет около 20В).

Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, когда появились новые полупроводниковые приборы - диоды и тиристоры. Эти приборы, разработанные на основе кремния, имеют ряд преимуществ перед электровакуумными и газоразрядными.

Достоинства полупроводниковых приборов:

– малые габариты и масса, т.е. компактные при равных токах;

– падение напряжения мало зависит от тока (0,5-1,8 В), что обуславливает высокий КПД;

– возможность воздушного охлаждения;

– быстродействие и повышенная надежность в работе при широком температурном диапазоне (140^°С).

Недостатки полупроводниковых приборов:

– малая перегрузочная способность;

– высокая чувствительность к перенапряжению.

С начала 80-х годов, благодаря интенсивному развитию электроники, начинается создание нового поколения изделий силовой электроники:

1) запираемые тиристоры (GTO, GCT);

2) МОП-транзисторы: полевые (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Достоинства МОП-приборов:

– обеспечение коммутации токов до 1200 А;

– напряжение до 3,5 кВ;

– быстродействие (IGBT t_перекл= 200-400 нс);

– работа на частотах до 100 кГц.

МОП-приборы вытесняют запираемые тиристоры в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ.

Для традиционных тиристоров (SCR) и запираемых (GTO и GCT) остается диапазон мощностей свыше 1 МВт и напряжением коммутации свыше 4,5 кВ. Ведутся работы по созданию запираемых тиристоров с полевым управлением (MCT). Если работы по созданию этих тиристоров завершатся успешно, то эра классических силовых полупроводниковых приборов – тиристоров и биполярных транзисторов завершится.

Наиболее перспективные приборы силовой электроники для схем преобразований – это IGBT и MCT.

Несмотря на некоторое увеличение новых материалов для приборов силовой электроники (арсенид галлия, карбид кремния и др.) основным материалом в ближайшее десятилетие остается кремний.

2. Полупроводниковые приборы