Способи регулювання частоти обертання

Регулювання частоти обертання зміною активного опору в ланцюзі ротора.

Цей спосіб використовується тільки в асинхронних двигунах з різним ротором і заснований на зміні ковзання шляхом введення в ланцюг ротора регулювального реостата.

Механічні характеристики асинхронного двигуна для різних значень активного опору ланцюга ротора показують, що із збільшенням активного опір ковзання зростає і відповідають заданому моменту навантаження M2, а частота обертання ротора – зменшується.

Використання даного способу дозволяє забезпечити плавність регулювання частоти обертання двигуна в широкому діапазоні.

Частоту обертання асинхронного двигуна можна регулювати також шляхом зміни напруги U1 на затисках статора. Проте такий спосіб регулювання при малому опорі роторного ланцюга дозволяє змінювати частоту обертання лише в невеликих межах, що виходить з мал. 3-68, де суцільні криві є залежності M = f(s) при різних напругах U1 і при rд = 0.

Можна розширити межі регулювання шляхом зміни U1, включивши в роторний ланцюг додатковий опір (пунктирні криві на мал. 3-68).

Регулювання частоти обертання зміною частоти струму в ланцюзі статора (частотне регулювання).При цьому способі регулювання необхідне джерело живлення з регульованою частотою напруги на виході. Для цього найчастіше використовують джерела змінного струму з напівпровідниковими перетворювачами частоти, які дозволяють одночасно регулювати частоту струму з напівпровідниковими перетворювачами частоти, які дозволяють одночасно регулювати частоту струму і величину напруги джерела. Необхідність цього обумовлена тим, що із зміною частоти змінюються індуктивні опори розсіяння обмоток статора і ротора, а отже, і електромагнітний момент двигуна. По цьому для збереження на необхідному рівні перевантажувальної здатності, коефіцієнта потужності і КПД двигуна необхідно, щоб зміна частоти і напруги відбувалися відповідно до формули

Асинхронні двигуни з декількома ступенями частоти обертання називаються багатошвидкісними. Вони застосовуються в електроприводах до вентиляторів і металоріжучих верстатів, де дозволяють спростити «коробку швидкостей» або зовсім від неї звільнитися. Гідністю багатошвидкісного двигуна при застосуванні його, наприклад, для токарного верстата є те, що при зміні моменту навантаження він працює на кожному ступені частоти обертання при незначній її зміні, як і звичайний асинхронний двигун.

Контрольні питання

1. Як здійснюється пуск АД з к.з. ротором?

2. Як здійснюється пуск АД з фазним ротором?

3. Чому при пуску виникає великий пусковий струм?

4. Охарактеризуйте пуски при зниженій напрузі?

5. Які способи регулювання частоти обертання у двигунах з фазним ротором?

6. Які способи регулювання частоти обертання у двигунах з к.з. ротором?

7. Поясніть принцип дії асинхронного двигуна

8. Коли утворюється ЕРС?

9. Коли утворюється МРС?

10. Коли утворюється електромагнітний момент?

Модуль 3 Основи електроніки

Лекція 11

Тема 3.1: Напівпровідникові прибори та інтегральні мікросхеми

План

1. Електронні прилади і пристрої

2. n-р- перехід

3. Діоди, класифікація, принцип дії

4. Фотоелектричні прибори

5. Інтегральні мікросхеми

Електронними називаються пристрої, в яких перетворення електричної енергії і сигналів реалізуються за допомогою електро-активних приладів. Найпростішим видом перетворення є випрямляння змінного струму, складнішим – інвертування постійного струму в змінний, посилення, генерація і перетворення сигналів різної форми.

Прилади, принцип дії яких засновано на використанні властивостей напівпровідників, називають напівпровідниковими. Класифікація напівпровідникових приладів, наведена на рис. 1.

Напівпровідникові резистори і діоди є двохелектродними приладами. Транзистори і тиристори мають три електроди.(виводи). Тиристори можуть бути і двохелектродними.

Електричні характеристики напівпровідникових резисторів визначають властивості однорідного напівпровідникового матеріалу, з якого вони виготовлені. Напівпровідниковий матеріал може мати один з двох типів електропровідності, які позначають латинськими літерами p та n . У напівпровідникових діодах використовують напівпровідники з різними типами електропровідності, які утворюють один так званий р-п перехід. Електричні характеристики діода визначають електричні властивості такого p—п переходу. .

У біполярних транзисторах використовують два p— п переходи. Взаємодія цих переходів визначає електричні властивості транзисторів. У польових транзисторах застосовують напівпровідники з різними типами провідностей і використовують взаємодію одного з цих однорідних напівпровідників з р — п переходом.

У тиристорах застосовують напівпровідники з різними типами електропровідності, які утворюють три і більше р—п-переходи.

У напівпровідникових фотоелектричних приладах використовують ефект генерації світла і зміни електричних характеристик напівпровідникових структур під впливом електромагнітного опромінювання оптичного діапазону. Комбіновані напівпровідникові прилади являють собою декілька різних напівпровідникових приладів, об’єднаних у одному корпусі.

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми — мікроелектронні вироби, які виконують певну функцію обробки сигналу і в яких всі елементи та міжелементні з'єднання виконані в об'ємі та на поверхні напівпровідника.

В подальшому будуть розглядатися властивості наведених у класифікації рис. 1 приладів, а також основні електронні пристрої, створені з їх використанням.

Всі активні елементи можна розділити на дві групи: эл. вакуумні і напівпровідникові. В електронно вакуумних приладах перехід електричних зарядів здійснюється у вакуумі або газі заповнюючому колбу приладу. Носіями электричного струму є електрони, джерелом яких служить катод. В напівпровідникових приладах електричних зарядів відбувається в твердому тілі (напівпровіднику). До них відносяться діоди, транзистори і т.д. Речовина, у якої електричний опір великий, тобто немає сприятливих умов для проходження електричного струму, називається діелектриком. Речовини, у яких електричний опір дуже малий, тобто існують сприятливі умови для проходження електричний струму, називаються провідниками. Речовини, які проводять електричний струм краще, ніж діелектрики, але гірше, ніж провідники, називаються напівпровідниками (кремній, германій). Для напівпровідників характерна залежність електричного опори від різних зовнішніх чинників: температура, електричного і магнітні поля, механічні дії, випромінювання. Існують два види провідності напівпровідника: n-типа і p-типа.

У чистому вигляді напівпровідники мають властивість діелектриків. Щоб збільшити електропровідність напівпровідників додають домішки. Якщо до чистого напівпровідника 4 групи додати домішок 5 групи (фосфор, миш’як, сурма)то домішки віддають вільні електрони. Такий домішок називається донорний, а електропровідність n- типу.

В напівпровідниках n-типа основним носіями заряду є електрони (надлишок вільних електронів).

Якщо до чистого напівпровідника 4 групи додати домішок 3 групи (алюміній, бор, індій)то домішки забирають вільні електрони, а на їх місці залишаються дірки. Такий домішок називається акцепторний, а електропровідність р- типу. В провідниках р-типа основними носіями є дірки (недолік вільних електронів).

При з'єднанні напівпровідників різних типів n і р за рахунок дифузії утворюється електронно-дірчастий перехід або n-р- перехід. n-р- перехід є робочим елементом напівпровідникових елементів і мікросхем. електронно-дірчастий або n-р- переходом називається тонкий контактний шар між двома частинками напівпровідникового кристала, одна з якої володіє електронною, а інша – дірчастою электропроводимостью. n-р- переходи підрозділяються на симетричні і несиметричні, різкі і плавні. n-р- перехід володіє наступними властивостями: несиметричною электропроводимостью (пропускає струм в одному напрямі) змінна по нелінійному закону місткість, сильною залежністю електричного струму від різних чинників.

Ще до того як приєднали напругу на межі двох середовищ утворився шар, який заперає (за рахунок великої концентрації носіїв заряду)

Пряме і зворотне включення n-р- переходу

При прямому включенні шар що заперає зменшується основні носії заряду вільно переходять з однієї галузі в іншу, тим самим в ланцюзі протікає великий прямий струм. Падіння напруги на переході не велике і складає 0.3-1 В

При зворотному включенні шар що заперає збільшується в ланцюзі протікає дуже малий зворотний струм, який називається тепловим тому, за рахунок неосновних носіїв заряду. І щоб проходив невеликий струм потрібно прикласти досить значну зворотню напругу.

Основною характеристикою n-p переходу є ВАХ.

З розглянутого графіка можна зробити висновок про те, що n-р- перехід володіє властивостями односторонньої электропроводимости.

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковим діодом називається прилад з двома виводамищо містить один р- п-переход.

Найбільше вживання одержали германієві ікременеві напівпровідникові діоди, а також діоди, виконані на основі з'єднання галію. Залежно від способу отримання р- n-переходів напівпровідникові діоди діляться на два типи: площинні і точкові.

Сучасні напівпровідникові діоди можуть виконувати різноманітні фунщии. Найпоширенішими є випрямні діоди, що використовують у випрямних установках.

Основним методомотримання p-n-переходів для випрямних діодів є сплав і биффузия.

Конструкція малопотужного сплавного кремнієвогодіода представлена на малюнку.

Основною характеристикою напівпровідникових діодів бути волЬт-амперна характеристика, Для порівняння на малюнку приведені типові вольт-амперні характеристики германевогоі кремнієвого діодів. Кремнієві діоди мають у багато разів менші зворотні струми при однаковій напрузі, ніж германієві. Допустима зворотна напруга кремнієвих діодів може досягати 1000., 1500 В, а германієвих - 100...400 В. Кремниевые діоди можуть працювати при температурах від -60 до +150° З, а германієві - від -60 до +85и С. Это обумовлено тим, що при температурах вище 85° З різко збільшується власна провідність германію, що приводить до неприпустимого зростанню зворотного струму. Разом з тим пряме падіння напруги у кремнієвих діодів більше, ніж у германієвих. У зв'язку з цим у випрямних пристроях низьких напруг вигідніше застосовувати германієві діоди.

Кремнієві стабілітрони. Явище електричного пробою, небезпечно для звичайних діодів, знаходить корисне вживання в кремнієвих площинних діодах, що одержали назву кремнієвих стабілітронів, або опорних діодів.

Найважливішою характеристикою стабілітрона є його вольт-амперна характеристика. В прямому напрямі вольт-амперна характеристика стабілітрона практично не відрізняється від пряма віткабудь-якого кремнієвого діода. Зворотна гілка має вид прямої лінії, що проходить майже паралель осі струмів. Тому при зміні в широких межах струму падіння напруги на приладі практично не змінюється. Ця властивість кремнієвих діодів і дозволяє використовувати їх як стабілізатори напруги.

Найпростіша, але достатньо поширена схема стабілітрона приведена на малюнку. Схема є по суті, дільник напруги, що складається з резистора Ro і стабілітрона Д. При зміні живлячого напругу иБ_:, напруга на стабілітроні і навантаженні Rn змінюється трохи, в чому івиражається стабілізуюче дію схеми.

З обох боків межі розділу шарів германію в областіелектронно-дірчастого переходу утворюються протилежні по знаку просторові заряди. Електричне поле на ділянці p-n-переходу прийнято називати потенційним бар'єром

Діоди характеризуються за призначенням і принципу роботи: випрямні, стабілітрони, імпульсні, варикапы, тунельні, фотодіоди і світлодіоди.

Випрямні діоди.

Використовуються у випрямлячах змінної напруги, струму. Основною характеристикою є ВАХ. Повністю аналогічна характеристиці n-р- переходу. Основні параметри випрямних діодів:

I np. max, А – максимальний прямий струм

U обр. max, В – максимальна зворотна напруга

Стабілітрони.

Явище електричного пробою відбувається в звичайних діодах при зворотному включенні знаходить корисне вживання в стабілітронах.

Нормальним режимом роботи для стабілітрона є робота при зворотній напрузі, яка відповідає зворотному електропробою n-р- переходу.

Варікапи.

Варікапом називається напівпровідниковий діод, у якого використовується місткість замкнутого n-р- переходу, залежна від величини прикладеної зворотної напруги. Основні параметри: З max і З min – максимальна і мінімальна місткість варикапа. Р max максимально розсіююча потужність.

В переході починається лавиноподібне розмноження носіїв заряду – електронів і дірок, - що приводить до різкого збільшення зворотного струму через n-р- перехід при майже незмінній зворотній напрузі. Цей вид електричного пробою називається лавинним. Звичайно він розвивається у відносно широких n-р- переходах, які утворюються в слаболегированных напівпровідниках.

В слаболегированих напівпровідниках ширина замикаючого шару менше, що перешкоджає виникненню лавинного пробою, оскільки що рухається носії не придбавають енергії достатньої для ударної іонізації. В той же час може виникнути електричний пробій n-р- переходу, коли досягши критичної напруженості електричного поля в n-р- переході за рахунок енергії поля з'являються пари носіїв електрон-дірка, і істотно зростає зворотний струм переходу.

Для електричного пробою характерна оборотність, що полягає в тому, що первинні властивості n-р- переходу повністю відновлюються, якщо понизити напругу на переході. Завдяки цьому електричний пробій використовується як робочий режим в напівпровідникових діодах.

Якщо температура n-р- переходу зростає в результаті його нагріву зворотним струмом і недостатнього тепло відведення, то посилюється процес генерації пар носіїв заряду. Це, у свою чергу, приводить до подальшого збільшення зворотного струму і нагріву n-р- переходу, що може викликати руйнування переходу такий процес називається тепловим пробоєм. Тепловий пробій руйнує n-р- перехід.

Тунельний діод

Тунельні діоди – напівпровідникові діоди, в яких використовується тунельний механізм перенесення носіїв заряду n-р- переходу і в характеристиці якого є область негативного диференціального опору. Тунельний ефект полягає в тому, що електрони переходять через n-р- перехід не змінюючи своєї енергії. Для отримання такого ефекту використовуються напівпровідникові матеріали з дуже великою концентрацією носіїв заряду. Напівпровідники з таким змістом домішок називається виродженими, а їх властивості близькі до властивостей провідників. Через високу концентрацію носіїв заряду в n і р області ширина n-р- переходу виявляється дуже малою. В цих умовах є велика вірогідність того, що електрон, який рухається у бік вузького переходу, пройде через нього як через «тунель» - це явище було викликано тунельним ефектом.

Фотодіоди

Фотодиодом називається напівпровідниковий фотоелектричний прилад з внутрішнім фотоефектом, що має один електронно-дірчастий перехід і два висновки. Фотодіоди можуть працювати в одному з дв}гх резкимов;

1.без зовнішнього джерела електричної енергії (режим фотогенератор а);

2 із зовнішнім джерелом електричної енергії (різким фото перетворювача).

В першому режимі використовується фотогальванічний ефект -разновидность внутрішнього фотоефекту, зв'язана <у утворенням різниці потенціалів (фото э.д.с) при освітленні неоднорідного напівпровідника. Фотодіоди, як і звичайні напівпровідникові діоди складаються з двох домішкових напівпровідників з різними типами электропроводимости, на межі з якими створюється р-п-перехід, Фотодіоди виготовляють з германію, кремнію, селену, арсеніду галію, арсеніду индия, сульфіду кадмію і інших напівпровідникових матеріалів. Звичайно пристрій фотодіодів такий, що світловий потік при освітленні приладу направлений перпендикулярно площині p-n-переходу. У відсутності освітленості і зовнішнього джерела електричної енергії в області р-п-перехода_ виникає, як і в будь-якому напівпровідниковому діоді, потенційний бар'єр, обумовлений нерухомими носіями заряду - позитивними іонами в п-области і негативними в р-области.

При падінні світлового потік на фотодіод фотони, достатню для переходу їх в зону провідності, В резз^льтате в обох областях збільшується число пар вільних носіїв заряду (основних і неосновних), т,е дірок і електронів. Під дією контактної різниці потенціалів (потенційного бар'єру) р-п-переходу неосновні носії заряду п-области - дірки - в р-области, а неосновні носії заряду р-области - електрони - в ту-область. Це приводить до створення на затисках фотодіода при розімкненому зовнішньому ланцюзі різниці потенціалів, званої фото э.д.с. Гранично можливе значення фото э.д.с рівне контактній різниці потенціалів, яка складає десяті частки вольт. Так, наприклад, у селенових і кремнієвих фотодіодів фото э.д.с досягає 0,5-0,6 В.

2. Напівпровідникові індикаторів

Принцип дії напівпровідникових індикаторів заснований на випромінюванні квантів світла при рекомбінації носіїв заряду в області р-ivперехода, до якого прикладена пряма напруга, До напівпровідникових індикаторів відноситься світлодіод - напівпровідникові діод, в якому передбачена можливість висновку світлового випромінювання з області р-n-переходу крізь прозоре вікно в корпусі. Колір випромінювання визначається матеріалом, з якого виконаний світлодіод. Випускають всетодиоды червоного, жовтого і зеленого свічення

Розрізняють напівпровідникові індикатори дискретні (точкові), призначені для відображення кольорової світлової крапки, і знакові - для відображення цифр і букв. В знакових сегментних індикаторах кожний сегмент є окремим діодом. З семи сегментів можна синтезувати цифри від 0 до 9 і 1-2 букв російського алфавіту.

Інтегральні мікросхеми.

Інтегральна мікросхема (ІМС) – це виріб, який виконує певну функцію перетворення і обробки сигналу, має велику щільність упакування електрично з’єднаних елементів, що являють собою єдине ціле, виготовлені в єдиному технологічному процесі і розміщені в єдиному, герметизованому корпусі.

Переваги апаратури на ІМС :

1. Висока надійність і технологічність. Застосування ІМС різко зменшує витрати праці на зборку і монтаж апаратури, зменшує кількість паяних з’єднань, - найменш надійних елементів електронної апаратури.

2. Мала маса і габарити.

3. Скорочення часу на разбірку виробу, оскільки застосовуються готові вузли та блоки.

4. ІМС випускаються масово і тому відносно дешеві.

Майже всі сучасні пристрої інформаційної електроніки створюються на базі ІМС, які можна поділити на пів провідникові і гібридні.

На рис. 12.21 зображено креслення зовнішнього вигляду стандартної ІМС на 16 виводів. Приклад фрагменту напівпровідникової ІМС показано на рис. 12.22. На рис. 12.22, а показана частина електронної схеми, яка складається з резистора, діода та біполярного транзистора, а на рис. 12.22, б – розріз напівпровідникового кристалу, в товщі якого вміщені вказані схемні елементи. Ізоляція елементів один від одного створюється за допомогою р — n- переходів подачею на підложку р-типу найбільшого від'ємного потенціалу. Поверхня напівпровідника покрита ізоляційним шаром його окислу, який за своїми властивостями є діелектриком. В потрібних місцях окисел протравлений і поверхня кристалу покрита золотою або алюмінієвою плівкою, яка забезпечує з'єднання між елементами. З'єднання ці виготовляють шляхом вакуумного напилення через маску відповідної форми. Готовий кристал розміщують у герметизованому металевому або пластмасовому корпусі з виводами у зовнішнє коло. З'єднання мікросхеми із зовнішніми виводами здійснюють золотими або алюмінієвими провідниками діаметром біля 10мкм.

.

Виготовлення таких ІМС дуже складне. Тому їх випуск може бути налагодже­ний тільки на великих спеціалізованих підприємствах на базі добре автоматизованої якісної технології. Витрати на розробку нового типу ІМС великі, тому економічно виправдовується лише випуск їх великими серіями по 104 екземпляри і більше. Маса і габарити таких ІМС дуже малі. Щільність упакування елементів в ІМС на досягати до 500.ел/см3 і більше. При кількості елементів N > 103 ІМС називав великою інтегральною схемою (ВІС). Середній термін безвідмовної роботи пристрою який містить ІО8 -1О9 елементів досягає 5—10 тисяч годин.

Гібридні ІМС створюються на базі плівкової технології. За допомогою плівок товщиною біля одного мікрометра створюються резистори (рис. 12.23, а) з опором до 105 Ом, плівкові конденсатори (рис. 12.23, б) з ємністю до 10000 пФ та дроселі (рис. 12.23, в) з малою індуктивністю не більше 10 мкГн. Безкорпусні напів- провідникові прилади, конденсатори великих номіналів і магнітні елементи виконуються навісними і приклеюються до плати в певних місцях. Плата з плівковими та навісними елементами розташовується в герметизованому корпусі з певною кількістю виводів. '

Масогабаритні показники гібридних мікросхем гірші, ніж у напівпровідникових, але технологія їх виготовлення значно простіша, а вартість розробки менша. Їх можна випускати малими серіями для рішення локальних задач .

Функції перетворення та обробки сигналів, що їх виконують ІМС, дуже різно­манітні. Прикладами таких функцій можуть бути перетворення аналогової інформації (тобто неперервного сигналу постійної напруги на вході) у цифрову форму (тобто у відповідне число, код якого виставляється на виходах ІМС) і зворотне перетворення цифрового сигналу аналоговий сигнал; перетворення частоти в постійну напругу; перетворення постійної напруги у змінну з певною частотою; перетворення постійної напруги у змінну трифазну напругу певних частот для керування електромікродвигунами; перетворення інтенсивності світлового сигналу в час експозиції фото­матеріалів і т. п. На базі ІМС виготовляють також операційні підсилювачі (розділ 14.5), логічні та цифрові пристрої (розділ 15).

В останні роки створені ВІС, які не втрачають своєї універсальності. Це програмовані ІМС. Користувач може по-різному використовувати такі ІМС, запрогра­мувавши її функції. До таких ІМС відносяться постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП) програмовані інтерфейси, програмовані контролери та мікропроцесорні пристрої на базі відповідних комплексів ІМС (розд. 16, 17).

Контрольні запитання

1. Розкажіть про конструкцію, умовні позначення напівпровідникових фотодіодів.

2. Поясніть принцип роботи напівпровідникового фотодіода.

3. Призначення інтегральних мікросхем.

4. Поясніть класифікацію напівпровідникових фотоелементів ?

5. Поясніть що називається фотоелектричним діодом?

6. Поясніть що називається інтегральною мікросхемою?

7. Розкажіть про конструкцію, умовні позначення напівпровідникових діодів.

8. Намалюйте та поясніть вольт амперну характеристику напівпровідникового діода.

9. Як вмикаються напівпровідникові діоди, якщо робоча напруга більше допустимої зворотної напруги одного діода?

10. Як вмикаються напівпровідникові діоди, якщо робочий струм більше допустимого струму одного діоду?

11. Розкажіть про застосування напівпровідникових діодів.

12. Як впливає температура зовнішнього середовища на характеристики та параметри напівпровідникових діодів?

13. Що відбувається у р-п переході ще до того як приєднали напругу?

14. Що відбувається у р-п переході коли приєднали пряму напругу?

15. Що відбувається у р-п переході коли приєднали зворотню напругу?

16 . Поясніть що називається діодом?

Лекція 12

Тема 3.1: Напівпровідникові прибори та інтегральні мікросхеми

План

1. Устрій, принцип дії транзистора

2. Схеми включення біполярного транзистора

Транзистор – напівпровідниковий прибор з двома р-n переходами, з трьома виходами, який служить для підсилення потужності (струму, напруги)

Якщо замкнути ключі В1 і В2 до переходу р1 емітер-база приєднується пряма напруга. Транзистор працює при одночасно замкнених ключах В1 і В2 і В3. При цьому під дією джерела Е1 дірки з емітера переходять до бази, де частина їх може рекомбінувати з електронами, а більша частина доходить до колектора перехода р2 (тому що база набагато менша ніж колектор, та емітер). Під дією джерела Е2 дірки з бази витягіваються до колектора тим самим утворюється струм колектор, який набагато більше струму емітера.

Рекомбінація – процес зустрічі електрона з діркою при якому зникають вільні заряди.

коеффіціент підсилення

Транзистором називається ніпівпровідниковий прилад з одним або не скількома електричними переходами, приводный для посилення потужності і имеющш три або більш висновків.

Найпоширеніші транзистори мають два р-п-переходи. В них використовують заряди носіїв обох полярностей. Такі транзистори називаються біполярними.

Основним елементом площинного біполярного транзистора є кристат германію або кремнію, в якому створено три області різних проводимостей. Дві крайні області завжди володіють провідністю однакового типу, противопапожногс провідності середньої області. -На малюнку зображений площинний транзистор, у кото рого крайні області володію електронною провідністю, а середня ~ дірчастої. Такі, прилади називають транзисторами типу п - р - я

У транзистора, схемної зображення якого представлено нш малюнку, крайнє області володіють дірчастою провідністю, а средняя- електронної. Такі прилади називають транзисторами типу р - л - р Фізичні процеси протікаючі в транзисторах обох типів, аналогічні.

Середня область транзистора називається базою (б), одна крайня - емітером(Е), інша - колектором (До). Відстань між базою і колектором дуже мала - порядка декількох міліметрів.

Концентрація атомів домішки в області бази незначна - go багато раз менше ніж в емітері

Транзистор є двома напівпровідниковими діодами, що мають одну область - базу, причому до емітерного p-n-переходу прикладено напругу б, - в прямому (пропускному) напрямі, а до переходу колектора прикладена напруга Е? у зворотному напрямі. Звичайне Е2» Е-. При замиканні ключів В1 і В2 через емітерний р-п-перехід пройде прямий струм, створюваний направленим рухом основних носії заряду: дірок емітера і електронів бази. Шлях струму + Е1_} тА1, емітер, база, тА2, ключі 81 і 82, - Ei.

Якщо ключ В1 розімкнути, а ключі В2 і ВЗ замкнути, то в ланцюзі піде незначний зворотний струм, що викликається направленим рухом не основних носіїв заряду - дірок бази і електронів колектора. Шлях струму: +Е₂, ключі ВЗ і В2, тА2, база, колектор, тАЗ, -Јг.

Розглянемо тепер проходження струму в ланцюгах транзистора при замиканні всіх трьох ключів. Оскільки до ділянки емітер - база прикладено напругу в прямому напрямі, опір эмитерного р-п-переході зменшується і через нього проходить прямий струм, обумовлений переміщенням дірок з емітера в базу і електронів з бази в емітер. Якби концентрація дірок в емітері і електронів в базі була однаковою, то прямий струм через емітерний перехід створювався б переміщенням однакового числа дірок і електронів в протилежних напрямах. Але в транзисторах концентрація носіїв заряду в базі значно менше ніж в емітері. Тому кількість дірок, що проходять в базу, у багато разів перевищує число електронів, движущихся в протилежному напрямі. Отже, майже весь струм через эмиттер-ный р-п-перехоб обумовлений дірками.

Дірки, потрапивши в базу, для якої вони бути не основними носіями заряду, починають рекомбинировать з електронами. Але рекомбінація - процес не миттєвий. По- . цьому майже всі дірки встигають пройти через тонкий шар бази і досягти р-п-переходу колектора перш, ніж відбудеться рекомбінація. Підійшовши до колектора, дірки починають випробовувати дію електричного поля_} створеної джерелом напруги, Е2. Це поле для дірок є прискорюючим і тому вони швидко втягуватися us бази в колектор і бере участь в створенні струм колектора. Ланцюг струму колектора: +Е₂, ключі ВЗ, В1, тА1, емітер, база, колектор, тАЗ, - Е2.

Беручи до уваги малий ступінь рекомбінації дірок з електронами е області бази, можна рахувати струм колектора !к зразково рівним струму емітера 13_:

неважко помітити також, що струм емітера, вимірюваний миллиамперметром тА1, рівний сумі струмів бази і колектора, вимірюваного відповідно приладами тА2 і тАЗ.

Принцип дії транзисторів типу n-p- n не відрізняється від розглянутого вище, тільки з емітера в область бази вводяться не дірки, а електрони. Дня таких приладів полярність напруг Ј-, і Ег повинна бути протилежною тій, яка показана на малюнку; напрям струмів також зміниться на протилежне, оскільки вони обумовлені в даному випадку не дірчастою, а електронною провідністю.

Схеми включення біполярного транзистора.

Транзистор може бути включений в підсилювальний каскад трьома різними способами: по схемі із загальною базою, із загальним емітером, із загальним колектором.

В схемі із загальною базою вхідний сигнал прикладається до висновків емітера і бази, а джерело живлення колектора і опору включені між висновками колектора і бази. Підсилювальний каскад, зібраний по схемі із загальною базою; володіє малим вхідним опором і великим вихідним (сотні кіло Ом). Низький вхідний опір каскаду із загальною базою є його істотним недоліком

Схема із загальною базою дає посилення напруги до 1000 і такого ж порядку посилення по потужності.

В схемі із загальним емітером вхідний сигнал прикладається до висновків емітера і бази, а джерело живлення колектора і послідовно сполучений з ним опір навантаження включено між висновками емітера і колектора. Таким чином, емітер є загальним електродом для вихідної і вихідний цілей.

Основною особливістю схеми із загальним емітером є те, що вхідним струмом в ній являеться не струм емітера, а малий по величине'Ьюп бази 1&. -

Найважливішою гідністю схеми є велике посилення по струму.

В схемі із загальним колектором вхоаным струмом, як і в схемі із загальним емітером., є струм бази, а вихідним струмом, що протікає по опору навантаження, - струм емітера. Тому коефіцієнт посилення по струму для цієї схеми;

Контрольні запитання

1. Поясніть принцип дії транзистора.

2. Особливості вхідних характеристик .

3 Особливості вихідних характеристик .

4. Приведіть схеми підключення транзисторів

5. Які параметри можна визначити по вихідним характеристикам транзистора?

6. Які параметри можна визначити по вхідним характеристикам транзистора?

7. Що називається транзистором?

8. Як визначається вхідний опір?

9. Як визначається коефіцієнт підсилення?

10. Поясніть призначення транзистора?

Лекція 13

Тема 3.2 : Електронні вимірювальні пристрої

План

1. Класифікація випрямлячів

2. Однофазні випрямлячі

3. Трифазні випрямлячі1.

4. Робота згладжу вального фільтра

Випрямляч – устрій призначений для перетворення змінного струму у постійний.

Звичайними у міських електричних мережах є рівні напруг 380 та 220 В змінного струму. Але для живлення кіл керування електроприводами, для живлення двигунів| постійного струму, для живлення релейної та електронної апаратури необхідні різні рівні постійної напруги. Для отримання таких напруг використовують випрямлячі.

Випрямляч складається:

1. трансформатор – призначен для зміни змінної напруги однієї величини, в змінну напругу іншої величини

2. вентиль – випрямляє змінну напругу у постійну (в якості використовується діод)

3. згладжу вальний фільтр – згладжує пульсації випрямленої напруги

4. стабілізатор – підтримує незмінну напругу на навантаженні

5. навантаження – для використання

Напруга мережі живлення 0_х подається на трансформатор Тр, на виході якого; отримується змінна напруга 0₂ необхідного рівня. За допомогою вентильної групи ВГ змінна напруга 0₂ перетворюється на пульсуючу випрямлену напругу і/_ів. Длязменшення пульсацій випрямлена напруга подається на згладжувальний фільтр ЗФі після нього — на навантаження Н у вигляді напруги Q_d. Часто між згладжуючим фільтром і навантаженням вмикають ще стабілізатор напруги СН, який забезпечує стабільність вихідної напруги випрямляча в разі зміни-навантаження або напруги мережі живлення.

На рис. 15.1 б наведені часові діаграми напруг на окремих ділянках схеми випрямляча з живленням від однофазної мережі.

Класифікація випрямлячів:

1. Керуючі – можна змінювати величину випрямленої напруги

2. Не керуючі – неможна змінювати величину випрямленої напруги

3. По числу фаз випрямленої напруги:

а) однофазні;

б) одно на пів періодні

в) дво на пів періодні

г) багатофазні – найчастіше трифазні

4. По величині потужності:

а) малої

б) середньої

в) великої .

Основними показниками якості роботи випрямляча можна вважати такі. По-перше
це коефіцієнт пульсації випрямленої напруги р, який дорівнює р = Ш_іІтгх - U_dmm)U_d.Тут U_dmm і t/_rfmin — максимальне і мінімальне значення вихідної напругиu_d,aU_d — середнє значення випрямленої напруги. Часто для визначення коефіцієнта пульсацій використовують, відношення амплітуди першої гармоніки (або іншої гармоніки з найменшою частотою) випрямленої напруги, розкладеної в ряд Фур'є,до середнього її значення: р_{ = U_ml /U_d. Чим менший коефіцієнт пульсації, тим вища якість випрямленої напруги. Для живлення електронних пристроїв звичайно необхідно забезпечувати коефіцієнт пульсації р,= 0,02 4-0,05.

Другим показником якості роботи випрямляча є стабільність його вихідної напруги, яку можна оцінити відносною зміною напруги внаслідок переходу від режимухолостого ходу з напругою U_d0 до номінального навантаження: AU. = U_d0 - U_d/' U_d.

Третім показником якості роботи випрямляча є коефіцієнт його корисної дії який характеризує втрати енергії у випрямлячі.

Нарешті, четвертим показником, за яким слід оцінювати випрямляч, — це простота(складність) його схеми та вартість ЇЇ реалізації. \

Головним вузлом кожного випрямляча є вентильна група, складена з кремнієвих і рідше — з германієвих діодів. Інші вузли блок-схеми випрямляча, показаної на рис. 13.1, а, можуть бути відсутні. Тому розглянемо в першу чергу принцип дії основних випрямних схем, що відрізняються способом з'єднання вентилів між собою та з обмотками трансфор­матора. Будемо вважати, що випрямлячі працюють на активне навантаження.

ОДНОФАЗНІ ВИПРЯМЛЯЧІ З АКТИВНИМ НАВАНТАЖЕННЯМ

На рис. 15.2 показані принципова схема та часові діаграми напруг (рис. 15.2 б) однофазного однопівперіодного (ІФІП) випрямляча; вентильна група якого утворюється лише одним Діодом VD. Як видно з часової діаграми, струм / в колі вторинної обмотки трансформатора і навантаження R тече лише протягом першої половини періоду напруги и₂. В зворотному напрямку діод VD не пропускає струму і можна прийняти, що струм рівний нулю, а вся напруга «, прикладена в зворотному напрямку до діода VD. Назва схеми ІФІП означає, що джерело живлення по відношенню до вентильної групи однофазне і струм у фазній обмотці джерела тече протягом лише одного півперіода. Період випрямленої напруги дорівнює періоду напруги мережі живлення, тому частота пульсації випрямленої напруги f_r дорівнює частоті мережі живлення

Рисунок 15.2 Однонапівперіодна схема випрямлення

Якщо знехтувати спадом напруги на діоді VD в прямому напрямку, то максимальна-напруга на навантаженні U_dmw & U_2m, а мінімальна напруга U_dmin = 0.

Як. відомо з теорії електричних кіл змінного синусоїдного струму, середнє значення
напруги дорівнює U_2ср = 2U_2m /я , а дійове U₂ = U_{2 2т} /л/2. Оскільки напруга існує на навантаженні лише півперіоду, її середнє значення U_d буде удвічі меншим, а середньоквадратичне (дійове або ефективне) значення U _d меншим b
раз.

Якщо вольтметр електромагнітної системи, приєднаний до вторинної обмотки транс­форматора схеми (рис. 15.2, а), показує, наприклад 20 В,та цей же вольтметр покаже на І резисторі R напругу 14,1 Б. В той же час вольтметр магнітоелектричної[ системи покаже на резисторі R середнє значення напруги 9 В. І Максимальна зворотна напруга на діоді дорівнюватиме 28,В.

,

Отже, коефіцієнти пульсації напруги для схеми ІФІП занадто великі і така схема 1 без згладжувальних фільтрів може бути застосована хіба Що для зарядки акумуляторів. .1 На рис. 15.3 показана двофазна схема живлення вентильної групи від однофазного 1 трансформатора з виводом, середньої точки вторинної обмотки. По відношенню до навантаженні проходить по черзі протягом одного півперіоду. Тому таку схему можна скорочено позначити „ І як схему 2ФІП. В літературі вона звичайно називається однофазною схемою з виводом І середньої точки трансформатора, оскільки сам трансформатор живиться від однофазної мережі.Вентилі VDI та VD2 відкриваються по черзі, струм у навантаженні протікає протягом І обох півперіодів. Внаслідок цього середнє значення вихідної напруги £/, випрямляча Щ подвоюється у порівнянні із схемою ІФІП, а ефективне значення збільшується І в раз і для схеми 2ФІП

Рисунок 15.3 Двонапівперіодна схема випрямлення з виводом середньої точки вторинної обмотки трансформатора

Як видно з часової діаграми (рис. 15.3, б) період зміни випрямленої напруги ц, вдвічі менший від періоду напруги и₂. Отже, частота пульсації вихідної напруги /_п = 2/,. Якщо прийняти, що як і в по передньому прикладі, середня напруга на навантаженні R дорівнює Ј/_d = 95, то ІІ_2Ш = І/_22лі = nU_d /2 = 14,1 Я Амплітуда ж сумарної напруги на виводах вторинної обмотки трансформатора буде U_2m = 2[/,_1л дорівнюватиме 28,2 В, В момент, коли, наприклад, діод VD1 буде відкрито, до діода ,VD2 буде прикладено зворотну напругу и₂ = и₂₁ + и_т. Тому максимальна зворотна напруга на діоді U_3Bmaii = 2U_2im дорівнюватиме 28,2 В.

Середнє значення струму в навантаженні I_d = U_d/R, а середнє значення прямого струму через діод буде вдвічі меншим від струму навантаження.

Коефіцієнт пульсації в схемі 2ФІП:

Коефіцієнт пульсації за першою гармонікою дорівнює відношенню періїюї гармоніки вихідної напруги до її середнього значення. Його можна визначити за формулою Для схеми 2ФІП т = 2, отже р_ї = 2/3 = 0,666.

На рис. 15.4, а зображена схема однофазного мостового випрямляча, а на рис 13.4, б — часові діаграми напруг і струмів. В цій схемі в залежності від напрямку напруги .£/₉ проводять струм попарно діоди VD₁, VD₃ або VD₂ VD₄. Оскільки струм проходить через обмотку трансформатора протягом обох півперіодів, мостова однофазна схема може бути зазначена як 1Ф2П. За формою вихідної. напруги вона тотожна схемі 2ФІП.. Але, на відміну від схеми 2ФІП, трансформатор має лише одну вторинну обмотку з напругою и_г Тому максимальна зворотна напруга, наприклад, на діоді VD1, коли діод VD_{ відкрито, дорівнює U_2m. Середній струм у діоді вдвічі менший від середнього струму навантаження I_d. '

Застосування мостової схеми зменшує (приблизно в раз) потужність трансформатора і зменшує в два рази зворотну напругу на діодах у порівнянні із схемою 2ФІП.

Рисунок 15.4 Двонапівперіодна мостова схема випрямлення

Трифазні випрямлячі з активним навантаженням

Застосування випрямлячів з живленням вентильних груп від трифазних транс­форматорів дозволяє:

- зменшити пульсацію випрямленої напруги;

- зменшити розрахункову потужність трансформатора;

- створити однакове навантаження для всіх трьох фаз мережі, що має помітне
значення в разі великої потужності випрямляча.

.

Рисунок 15.5 Трифазномостова схема випрямлення

Сгладжувальний фільтр – зменшує пульсації випрямленої напруги.

Основними елементами згладжуючи фільтрів є конденсатори, індуктивні катушки і транзистори, опори яких різні для постійного і змінного струмів. Найчастіше використовують С – фільтри, які забезпечують парне згладжування пульсації при різних навантаженнях. Тоді при виконанні умов Хс = 1/wС < R конденсатор шунтує опір навантаження, та пропускає через себе найбільшу долю змінної складової випрямленного струму.

Котушку підключають послідовно з навантаженням. При виконанні умов ХL= wL > R змінна напруга виходу випрямляча затримується на дроселі фільтра і на навантаження не попадає. Одночасне включення L та С фільтра дає великий ефект в згладжуванні пульсацій випрямленого напруження. Якість фільтра оцінюють коефіцієнтом згладжування відношення коефіцієнта пульсацій на вході та на виході фільтра .

Чим більше Ксгл тим краще працює фільтр. Для постійного струму опір конденсатора рівний нескінченності, а опір індуктивної котушки дуже малий. Опір транзистора постійному струму на два-три порядки менше опору змінного струму. Основним параметром, що характеризує ефективність дії згладжуючого фільтру, є коефіцієнт згладжування, рівний співвідношенню коефіцієнта пульсацій на виході і вході фільтру.

Фільтри ємкостей відносяться до однозвеневым фільтрів. Місткості фільтр включається паралельно резистору навантаження Rн.

Роботу фільтру місткостізручно розглядати за допомогою тимчасових діаграм.

В інтервалі часу t1 –t2 конденсатор через відкриті діоди VD1 і VD3 заряджає до амплітудного значення U2, оскільки в цей період напруга U2 > Uс. У той час струм іа = іс +і_н. В інтервалі часу t2 –t3, коли напруга U2 стає менше напруги на конденсаторі Uс, конденсатор розряджається на резистор навантаження Rн, заповнюючи розрядним струмом паузу в струмі навантаження ін. В цьому інтервалі часу напруга на резисторі Rн знижується до деякого значення, відповідного часу t3, при якому напруга U2 стає рівною напрузі на конденсаторі Uс. В другий напівперіод відкриваються діоди VD2 і VD4 і конденсатор знову заряджає і процес зарядки і розрядки конденсатора повторюються.

Аналіз тимчасових діаграм показує, що із зміною місткості згладжуючого фільтру Сф або опору резистора навантаження Rн буде зміняться значення коефіцієнта пульсацій випрямленої напруги. При цьому чим менше розрядиться конденсатор, тим менше за пульсацію у випрямленому струмі ін. Розряд конденсатора Сф визначається постійної часу розрядки t_разр= Сф Rн. При постійній часу t_разр ³ 10 Т коефіцієнт пульсацій визначається по формулі

де fосн- частота основної гармоніки, не перевищує 10-2.

Роботавипрямляча з фільтром місткості істотно залежить від зміни струму навантаження. Дійсно, при збільшенні струму ін, що відбувається при зменшенні опору Rн, постійна часу t_разр зменшується. Зменшується і середнє значення випрямленої напруги Uн.ср, а пульсації зростають.

Місткості фільтр доцільно застосовувати з высокоомным резистором навантаження при потужності Рн не більше декількох десятків ватів.

Контрольні запитання

1. Поясніть призначення випрямляча.

2. Які елементи можна використовувати в якості вентилів?

3. Перерахуйте відомі вам схеми випрямлячів..

4. Нарисуйте відомі вам схеми сгладжуючіх вентилів?.

5. З яких елементів складається випрямляч?

6. Поясніть як працює однонапівперіодна схема випрямлення?

7. Поясніть як працює двонапівперіодна мостова схема випрямлення?

8. Поясніть як працює двонапівперіодна схема випрямлення з виводом середньої точки вторинної обмотки трансформатора?

9. Поясніть як працює тоифазнамостова схема випрямлення?

10. Що називається випрямлячем та його призначення?

11. Поясніть призначення згладжу вальних фільтрів.

12. Які елементи можна використовувати в якості згладжу вальних фільтрів?

13. Від чого залежить робота випрямляча з фільтром?

14. Що називається коефіцієнтом пульсацій?

Лекція 14

Тема 3.2 : Електронні вимірювальні пристрої

План

1. Класифікація підсилювачів

2. Робота підсилювального каскаду

3. Зворотні зв'язки

Устрій, принцип дії електронного підсилювача

Підсилювачі – устрій, який призначений для підсилення напруги струму потужності слабких вхідних електричних коливань за рахунок джерела енергії, який живить підсилювач.

Підсилювачі класифікуються:

1. По діапазону частот підсилювача

а) підсилювачі низької частоти

б) високої частоти

в) підсилювачі постійного струму – дуже слабких коливань у діапазоні частот від 0 до декілька герц

2. По числу каскадів підсилення

а) одно

б)двох

в)багато каскадні

3. По виду підсилю ванної величини

а) підсилювачі струму

б) напруги

в)підсилювачі потужності

Електричні сигнали, коли проходять крізь підсилювач викривляються.

Розрізняють викривлення:

1. Частотні – викривлення форми електричного сигналу за рахунок різних складових напруги різної частоти

2. Амплітудні

3. Фазові – залежать від зміни фази електричного коливання на виході по відношенню фази коливань на його вході

Підсилювачі характеризуються:

1. Діапазоном частот підсилювача – галузь частот у якій коефіцієнт підсилення не перевищує допустимих значень

2. Вихідна потужність – потужність підсилювача у навантаженні

3. Номінальна вихідна потужність у навантаженні при якій викривлення не перевищують допустимих значень

4. Коефіцієнт корисної дії – відношення вихідної потужності підсилювача до загальної

Електроннимипідсилювачами називаються пристрої, призначені для посилення електричних сигналів за допомогою електронних приладів.

Підсилювальні пристрої знаходять дуже широке вживання, вони є основними вузлами різної електронної апаратури, широковикористовуються в пристроях автоматики, комп'ютерної техніки, контрольно-вимірювальних приладах і т.д.

Класифікуютьсяпідсилювачі по діапазону частот;

1. Підсилювачінизької частоти (УНЧ)призначені для посилення
безперервних періодичних сигналів, частотний спектр яких лежить в межах десятків герц до десятків кілогерців.

2. Підсилювачі постійного струму (УГГГ) усилює електричні сигнали від
Про до вищої робочої частоти. Ці підсилювачі дозволяють усилювати як
змінні складові сигналу, так і постійні.

3. Виборчі підсилювачі, що усилюють сигнали в дуже вузькій смузі
частот. Ці підсилювачі часто називають резонансними або смуговими.

4. Широкосмугові (імпульсні) підсилювачі усилюютьдуже широку
смугу частот від декількох кілогерців до декількох мегагерц. Ці підсилювачі

Вихідний опір визначають між вихідними затисками підсилювача при відключеному опорі навантаження.

Вихідна потужність це корисна потужність, що розвивається підсилювачем в опорі навантаження.

Підсилювальний каскад із загальним емітером Одним з самих розповсюджувальних підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах є каскад із загальним емітером. Полярність джерела електричної енергії Теньк по відношенню до ланцюга колектора залежить від типу транзистора. Розглянемо для транзистора типу п-р-п.

Вхідний сигнал поступає на базу і змінює його потенціал
відносно заземленого емітера, Це приводить до зміни струму бази, а
отже зміні струму колектора і напруга опорі навантаження
RK, Розподільний конденсатор конденсатор Ср1 служить для
запобігання протікання постійної складової струму бази через
джерело вхідного сигналу. За допомогою конденсатора Cpi на вихід каскаду
подається змінна складова напруги икэ, що змінюється за законом
вхідного сигналу, але значно перевищуюча його по величині. Важливу
роль грає резистор RBем бази, забезпечуючий вибір початкової
робочої крапки на характеристиках транзистора і визначаючий режим
роботи каскаду по постійному.

3, Зворотні зв'язки в підсилювачах

Зворотним зв'язком в підсилювачах називають подачу частини (киї всього) вихідного сигналу підсилювача на його вхід.

Зворотні зв'язки в підсилювачах звичайно створюють спеціально. Проте іноді вони виникають мимовільно, їх називають паразитними.

Зворотні зв’язки бувають:

1. Позитивні – коли збільшується загальний коефіцієнт підсилення

2. Негативний – покращення стабільності роботи та характеристики підсилювача (температурна стабільність)

Позитивним зворотним зв'язком називається такий зворотний зв'язок при якій вхідна напруга складається з напруга зворотного зв'язку внаслідок чого подається підсилювальна напруга.

Негативним зворотним зв'язком називається такий зворотний зв'язок при ' якої напруга на вході і на виході підсилювача зменшуються, що викликається віднімання; напруги зворотного зв'язку з вхідної напруги.

Не дивлячись на зниження коефіцієнта посилення, негативний зворотний зв'язок застосовують дуже часто, оскільки поліпшуються властивості підсилювача:

a) підвищується стабільність посилення при змінахпараметрів
транзисторах.

b) знижується рівень нелінійних спотворень

c) збільшується вхідне і зменшується вихідний опір
підсилювача.

d) ослабляє вплив всіх змін коефіцієнта посилення.

Робота зворотнього зв’язку – при збільшені температури струм колектора збільшується, струм емітера проходить, ас напруга у зворотньому зв’язку збільшується, а щоб U_BA між базою і емітером 0,5В U_BA зменшується за рахунок зменшення емітер база, тому струм колектора зменшується.