Тема 4.1 Физические основы электроники. Электронные приборы

Электрический ток в вакууме. Электроника изучает принцип действия, устройство и применение электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Электронными называют приборы, в основе работы которых лежит явление движения свободных электронов в высоком вакууме, где практически отсутствуют столкновения электронов с молекулами газа. К этим приборам относятся электронные лампы (двух-, трех- и многоэлектродные), фотоэлементы, электронно-лучевые трубки и т. д.

Электрический ток в электронных (вакуумных) приборах создается потоком свободных электронов, движущихся от отрицательно заряженного электрода (катода) к положительно заряженному (аноду). В проводниках имеется большое число свободных электронов, которые беспорядочно перемещаются между атомами вещества. При определенных условиях электронам сообщается дополнительная энергия, благодаря которой свободные электроны могут не только перемещаться между атомами, но и выйти за пределы металла в окружающую среду. Это явление называется электронной эмиссией.

Двухэлектродная электронная лампа. Двухэлектродная лампа (диод) представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором создан высокий вакуум, в баллоне укреплены два электрода – анод и катод. Анод имеет цилиндрическую или призматическую форму и изготовляется из стали, никеля, молибдена. Внутри анода помещается катод – прямого накала или подогревный.

Катод прямого накала представляет собой нить из тугоплавкого металла, как правило вольфрама, разогреваемую электрическим током. Подогревный катод – это полый цилиндр, на поверхность которого нанесен оксидный слой. Внутри катода расположен нагреватель из вольфрамовой проволоки. Такая конструкция облегчает выход электронов.

Рис. 9.1. Устройство диода и его обозначение на схемах (а),

схема включения диода (б)

 

На рис. 9.1, а показано устройство диода и схемы диодов с катодами прямого накала и подогревного, а на рис. 9.1, б –схема включения диода. При подключении к диоду источника постоянного тока (анодное напряжение) таким образом, что «+» батареи подключен к аноду, а «–» – к катоду, внутри лампы образуется постоянное электрическое поле, под действием которого электроны, вылетающие из катода, устремляются к аноду, т. е. через лампу начнет протекать электрический ток, направление которого принято считать обратным движению потока электронов. Этот ток называют анодным током лампы. Если подключить источник постоянного тока наоборот – «–» к аноду и «+» к катоду, анодный ток протекать не будет, так как вылетающие электроны попадают в тормозящее поле и возвращаются на катод. Таким образом, лампа обладает односторонней проводимостью и поэтому используется для выпрямления переменного тока.

 

Рис. 9.2. Вольт-амперная характеристика диода

Зависимость: анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала называют анодной (вольт-амперной) характеристикой диода (рис. 9.2).

Диоды, изготовляемые специально для выпрямления переменного тока, называют кенотронами. Часто в одном баллоне размещают два диода. Они могут иметь два анода и два катода на одну общую нить накала или даже один общий катод. Такие лампы называют двойными диодами.

Трехэлектродная лампа. Трехэлектродная лампа (триод) отличается от диода тем, что имеет третий электрод – управляющую сетку, которая выполнена в виде спирали из вольфрама, никеля, молибдена или их сплавов. Сетка располагается между анодом и катодом (ближе к катоду). На рис. 9.3, а, б приведено схематическое устройство триода и его изображение на схемах. Сетка служит для управления анодным током, благодаря чему лампа приобретает усилительное действие. Усиление слабых сигналов – основное назначение триода.

Рис. 9.3. Схематическое устройство триода и его обозначение по схеме:

А – анод; К – катод; С – сетка; Н – нить накала

На рис. 9.4, с, б приведены схема включения триода и янодно-сеточная статическая характеристика:

Рис. 9.4. Схема включения триода (а) и анодно-сеточная

статическая характеристика (б)

 

Если к сетке подключить источник сеточного напряжения , то в зависимости от знака и потенциала на сетке будет изменяться ток в анодной цепи. При увеличении положительного потенциала сетки анодный ток увеличивается, причем небольшое изменение напряжения приводит к значительному изменению анодного тока, т. е. лампа работает как усилитель слабых электрических сигналов.

По анодно-сеточной характеристике определяют один из основных параметров триода – статическую крутизну характеристики или просто крутизну:

  (9.1)

Крутизна выражается в мА/В.

Другим важным параметром триода является внутреннее сопротивление характеризующее изменение анодного тока в зависимости от изменения анодного напряжения при постоянном напряжении на сетке :

  (9.2)

Статический коэффициент усиления – представляет :

  (9.3)

Коэффициент и показывает, во сколько раз сильнее изменение напряжения на сетке действует на анодный ток, чем такое же изменение анодного напряжения. Для различных типов триодов колеблется от 50 до 100.

Все три рассмотренных параметра связаны следующим соотношением:

  (9.4)

 

Многоэлектродные лампы. В триодах системы анод – сетка, катод – сетка и анод – катод представляют собой небольшие емкости (конденсаторы), в которых обкладками являются электроды, а диэлектриком – вакуум. Эти емкости, особенно анод – сетка, существенно влияют на работу лампы. При подаче на сетку – катод переменного напряжения в лампе возникает емкостный ток, искажающий ток в анодной цепи. Это недостаток триода, ограничивающий его применение для устройств, работающих на высоких частотах. Чтобы уменьшить проходную емкость лампы, между сеткой и анодом помещают вторую экранирующую сетку. Такие четырехэлектродные лампы называют тетродами.

Рис. 9.5. Схемы включения многоэлектродных ламп

Коэффициент усиления тетрода значительно выше, чем у триода.

 

Электронно-лучевые трубки. Электронно-лучевой трубкой называют вакуумный прибор, в котором с помощью специальных устройств поток электронов фокусируется в тонкий луч, вызывающий на экране, покрытом специальным составом, свечение участков, на которые он падает.

Электронно-лучевые трубки применяют в осциллографах, телевизорах, радиолокаторах, электронно-вычислительных машинах.

На рис. 9.6 приведены схематическое устройство электронно-лучевой трубки и схема питания ее электродов в осциллографе. Баллон трубки выполнен в форме стеклянной колбы, из которой откачан воздух. В узкой части баллона размещено устройство для получения и фокусировки электронного луча, называемое электронной пушкой или электронным прожектором. Это устройство состоит из следующих электродов; катода , управляющего электрода: – модулятора (то же, что и управляющая сетка в триоде) , двух анодов и .

Рис. 9.6. Схема электронно-лучевой трубки и ее включение в осциллографе

Электрический ток в газах. Ионными называют приборы, в основе работы которых лежит явление движения электронов, а также положительных и отрицательных ионов в пространстве, заполненном разреженным газом или парами металла. При. столкновении электронов с частицами газа происходит его ионизация, что увеличивает поток заряженных частиц. К ионным приборам относятся газотроны, тиратроны, ртутит вентили и др.

В конструктивном отношении эти приборы мало отличаются от вакуумных. Они также имеют анод и катод, могут иметь сетку, однако характер протекания тока несколько иной. Кроме потока электронов ток создается еще и потоком положительных ионов газа. Процесс образования ионов в газе (ионизация) происходит под влиянием: а) высокой температуры; б) ультрафиолетового облучения; в) радиоактивных излучений; г) соударения несущихся с большой скоростью электронов с атомами газа. Процесс возникновения ионов в результате соударения молекул газа с электронами называют ударной ионизацией. Процесс протекания тока в ионных приборах состоит из нескольких стадий, которые можно проследить по вольтамперной характеристике, показывающей зависимость между приложенным напряжением и анодным током в газе (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Вольтамперная характеристика электрического разряда в газах

Как видно из рисунка, на участке ток возрастает пропорционально росту напряжения, затем (участок ) рост тока замедляется и даже прекращается.

Основными применяемыми ионными приборами являются:

Газотрон:

Рис. 9.8. Устройство и обозначение газотрона:

1 – анод; 2 – катод

 

 

Тиратрон:

Рис. 9.9. Устройство и обозначение тиратрона:

1 – анод; 2 – управляющая сетка; 3 – катод; 4 – подогреватель

 

 

Ртутный вентиль:

Рис. 9.10. Устройство ртутного вентиля

 

Общие сведения о полупроводниках. Полупроводниковыми называют приборы, в которых используется движение электронов в некоторых твердых телах, обладающих особыми свойствами в отношении, их электропроводности. К полупроводникам относятся вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, электропроводность которых может резко изменяться в зависимости от наличия химических примесей.

Полупроводниковые приборы выполняют функции, аналогичные электронным и ионным приборам.

Если под влиянием нагрева электрон приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома, он становится носителем заряда. Одновременно в кристаллической решетке полупроводника образуется свободная незамещенная межатомная связь, условно называемая дыркой. Под действием внешнего электрического или магнитного поля на это место может перейти электрон, порвавший соседнюю электронную связь, который оставит новую дырку, и т. д. Такое последовательное перемещение электронов можно условно рассматривать как движение положительных зарядов – дырок в направлении, противоположном движению электронов. Таким образом, движение свободных электронов обусловливает электронную электропроводность – -типа, а движение дырок – дырочную электропроводность – -типа.

Оба вида электропроводности у чистых полупроводников невелики, и поэтому их нельзя использовать в полупроводниковых приборах. Для увеличения проводимости полупроводников к «сверхчистым» полупроводниковым материалам добавляют специальные примеси. Если к материалу добавлена примесь, благодаря которой резко возросла электронная электропроводность, то такую примесь называют донорной, а если дырочная, то – акцепторной.

Рис. 9.11. Схема связи примесей с германием:

а – пятивалентной (донорной), б –трехвалентной (акцепторной)

 

При этом ничтожные по количеству примеси увеличивают электрическую электропроводность полупроводника в десятки тысяч раз. Для кремниевых и германиевых полупроводников в качестве акцепторных примесей применяют бор, алюминий, индий, а в качестве донорных – сурьму, фосфор, мышьяк.

Соединив полупроводники с двумя видами электропроводности, можно получить вентиль. Образовавшуюся при этом пограничную зону называют электронно-дырочным переходом или -переходом. В зоне перехода образуется тонкий слой, обладающий односторонней электропроводностью, т. е. для тока, направленного от области к области , он имеет малое сопротивление, а для тока, направленного от области к области – большое. Практически ток будет протекать только в одном направлении. Поэтому такой слой принято называть запирающим.

Рис. 9.15. Схема электронно-дырочного перехо

 

Если к полупроводникам приложить напряжение от постороннего источника (рис. 9.12, а), причем положительный полюс, источника присоединить к дырочному, а отрицательный – к электронному полупроводникам, то на их границе образуется электрическое поле с напряженностью . Электрическое поле, образовавшееся на границе полупроводников в результате диффузии электронов и дырок, становится слабее под действием источника. С повышением напряжения потенциальный барьер уменьшается и при некотором значении напряжения исчезнет. При изменении полярности напряжения (рис. 9.12, б) электрическое поле в -переходе усиливается и потенциальный барьер увеличивается. Поэтому для основных носителей заряда сопротивление становится очень большим и ток в направлении от - к -полупроводнику не протекает. Это подтверждает наличие вентильных свойств полупроводников.

 

Полупроводниковые диоды. Полупроводниковый диод выполняет те же функции, что и двухэлектродная лампа. Наиболее распространены германиевые и кремниевые диоды, а также селеновые вентили.

 

Рис. 9.13. Точечный диод (устройство и обозначение в схемах)

 

 

Рис.9.14. Плоскостный диод (устройство и обозначение в схемах)

 

 

Селен обладает дырочной -типа электропроводностью и для получения -перехода применяют кадмий, химические соединения которого с селеном или серой являются полупроводниками -типа. При изготовлении селеновых вентилей непосредственно на пластину наносится тонкий слой кадмия и после соответствующей термической обработки на границе образуется -переход.

 

Транзисторы и тиристоры. Транзисторы (полупроводниковые триоды) выполняют те же усилительные функции, что и трехэлектродные лампы. В них также используют пластинки из кремния и германия с электропроводностью -типа. С обеих сторон этих пластинок введением акцепторных примесей создают -переходы. Такие транзисторы называются транзисторами типа .

Рис. 9.15. Схема включения и обозначение на схемах транзистора

 

На рис. 9.16 показано устройство транзистора

 

Рис. 9.16. Устройство транзистора:

1 – вывод от коллектора; 2 – вывод от базы; 3 – вывод от эмиттера;

4 – стеклянные проходные изоляторы; 5, 6 – металлический корпус;

7 – эмиттер; 8, 11 – индиевые электроды; 9 – стойка; 10 – база; 12 – коллектор

 

 

Тиристором называется управляемый полупроводниковый (кремниевый) вентиль:

Рис. 9.17. Схема включения (а) и обозначение (б) тиристора

 

Фотоэлементы. Фотоэлементом называют устройство, в котором энергия света преобразуется в электрическую. В зависимости от характера происходящих физических процессов различают фотоэлементы с внешним, внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем.

В фотоэлементах с внешним фотоэффектом под действием светового потока происходит выход электронов с поверхности металла, например цезия. Электрод, испускающий электроны под действием света, называется фотокатодом. Электроны под действием внешнего поля могут перемещаться ко второму электроду фотоэлемента, образуя фототок. Оба электрода находятся внутри колбы, заполняемой обычно инертным газом. С увеличением интенсивности светового потока возрастает и фототок. Однако значение фототока слишком мало, поэтому в исполнительных цепях применяют различные усилители, чаще всего электронные и транзисторные.

Фотоэлемент с электронным усилителем называется фотоэлектронным усилителем. Если на его выходе включено еще электромагнитное реле, то такое устройство называют фотореле. Оно бывает прямого и обратного действий. Реле прямого действия срабатывает при освещении фотоэлемента, а обратного – при его прекращении.

Рис. 9.18. Схема полупроводникового фотореле с питанием:

а – постоянным током; б – переменным током;

ФС – фотосопротивление; ИС – источник света;

Р – обмотка электромагнитного реле; В – выпрямитель; С – конденсатор

 

 

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, или фоторезисторы, представляют собой полупроводниковые сопротивления, значения которых меняются в зависимости от интенсивности освещения. Это объясняется тем, что при поглощении полупроводником световой энергии происходит ионизация атомов и вследствие этого увеличение количества свободных электронов и

 

дырок, что вызывает уменьшение сопротивления. При затемнении сопротивление достигает , а при освещении резко уменьшается. Так, например, для наиболее распространенного фоторезистора типа ФС-К при освещенности 1 лк сопротивление равно , при 10 лк– 80 Ом, при 100 лк– 6 Ом. Схемы фотореле с внутренним фотоэффектом даны на рис. 9.18. Фотоэлементы с запирающим слоем состоят из двух металлических электродов, на один из которых нанесен тонкий слой полупроводника. Между полупроводником и одним из электродов имеется запирающий слой. При освещении такого фотоэлемента источником света электроны, выбитые из полупроводника, проходят через запирающий слой и заряжают первый электрод отрицательно, при этом сам полупроводник и второй электрод заряжаются положительно. В результате фотоэлемент становится источником электрической энергии, ток усиливается и оказывается достаточным для срабатывания реле. Такой режим работы фотоэлемента называют вентильным. При переменном токе в схему фотореле вводят диод и конденсатор для сглаживания пульсаций. В фотореле можно использовать все три вида описанных выше фотоэлементов.

Фотоэлементы применяют в приборах, с помощью которых можно контролировать размеры деталей, толщину материалов, качество обработки поверхности, цвет, форму, плотность и т. д. В городском хозяйстве фотоэлементы применяют в схемах автоматического управления освещением улиц, площадей, лестничных клеток, коридоров жилых и общественных зданий.

 

Применение электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Несмотря на широкое распространение переменного то­ка, имеются установки и аппараты, которые могут работать только на постоянном токе. К ним относятся электролизеры, электроприводы с широким диапазоном регулирования ско­рости, электротранспорт, многие устройства автоматизации, радиоаппаратура и т. д.

В аппаратах, где требуются небольшие мощности в це­пях постоянного тока, в выпрямителях используют кено­троны и маломощные ионные и полупроводниковые при­боры. В мощных выпрямительных установках, обычно на­зываемых преобразовательными подстан­циями, используют ртутные вентили и мощные полу­проводниковые диоды и тиристоры.

Различают одно- и двухполупериодные схемы выпрям­ления переменного тока. Выпрямительное устройство сос­тоит из вентилей, трансформатора, преобразующего напря­жение сети до необходимого значения, и сглаживающих фильтров.

 


 

 








Дата добавления: 2016-01-20; просмотров: 3839;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.036 сек.