1 . Физическая сущность пайки…………………………………………………………….2 2. Припои и флюсы. ............................................................................................................... 2 3. Классификация, обозначения и свойства резисторов .................................................... 3 4. Катушки индуктивности ................................................................................................... 4 5. Конденсаторы..................................................................................................................... 5 6. Фильтры в электронике. .................................................................................................... 6 7. Генератор колебаний Мейснера ....................................................................................... 9 8. Характеристики генераторов .......................................................................................... 10 9. Пьезо-кварцевые резонаторы ......................................................................................... 10 10. Генераторы прямоугольных колебаний ...................................................................... 11 11. Транзисторы ................................................................................................................... 13 12. Усилители переменного тока ....................................................................................... 18 13. Операционный усилитель. ............................................................................................ 21 14. Усилители звуковой частоты на основе операционного усилителя. ........................ 21 15. Сумматор и компаратор на основе операционного усилителя ................................. 22 16. Логические элементы в цифровой технике ................................................................. 23 17. Пример памяти на основе логических элементов. ..................................................... 24 18. Триггеры в микропроцессорной технике .................................................................... 25 19. Полупроводники ............................................................................................................ 27 20. Классификация и обозначения диодов. ....................................................................... 29 21. Стабилитроны. ............................................................................................................... 31 22. Тиристоры. ..................................................................................................................... 33 23. Симисторы ...................................................................................................................... 36 24. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы ....................................................... 37 25. Линейный блок питания................................................................................................ 39 26. Импульсные блоки питания.......................................................................................... 40 27 Цифровые интегральные микросхемы ......................................................................... 41 28. Диодно-транзисторная логика ...................................................................................... 43 29. Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шоттки............................................................... 44 1 . Физическая сущность пайки + Пайкой называется технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного промежуточного металла припоя. Припой имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов. Процесс образования паяного шва состоит из: 1 прогрева материала, образующего соединение, до температуры близкой к температуре плавления припоя; 2 расплавления припоя; 3 растекания жидкого припоя по поверхности твердого материала и заполнение паяемого шва; 4 охлаждения и кристаллизации припоя в паяном шве. Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии между припоем и основным металлом с образованием на границе интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомного взаимодействия. 2. Припои и флюсы. + T1>T2>T3>T4, где T1 – температура начала плавления Т2 – температура нагрева детали при пайке Т3 – температура плавления припоя Т4 – рабочая температура паяного соединения Припои могут быть: 2 мягкими (to плавления припоя <=300оС, предел прочности 16-100мПа); твёрдыми (to плавления >300oC, предел прочности от 100 до 500 мПа). Мягкими припоями являются оловянно – свинцовые сплавы. Паяльные пасты представляют собой сложную дисперсию, в которой дисперсионной фазой является микро- и нано – частицы припоя возможны твёрдые компоненты флюса, а дисперсной средой являются жидкие компоненты флюса и летучие растворители. Флюс – в-ва органического и неорганического происхождения предназначенные для удаления окислов с поверхности под пайку, снижения поверхностного натяжения, улучшения растекания жидкого припоя и защиты от действия окружающей среды. Флюсы для пайки черных металлов: хлорид цинка, хлорид аммония. Флюсы для электротехники: канифоль в спирте и спирто-бензиновой смеси. Для нержавеющих сталей используется ортофосфорная кислота. Для алюминиевых сплавов применяется довольно сложная технология: ортофосфорной кислотой обрабатывают до побеления, затем смесью КОН и NaOH в глицерине. 3. Классификация, обозначения и свойства резисторов+ - пассивный элемент электрической цепи в идеале, характеризующийся только сопротивлением электрическому току. Мощность рассеивания: Классификация резисторов: - постоянные (номинальное сопротивление не управляется); - переменные (управляемые) резисторы: потенциометры, реостаты, подстроечные резисторы; - специальные: термо-, фото-, тензо-,магниторезисторы. По технологии изготовления резисторы делят на проволочные, пленочные, металло – фольговые, угольные, интегральные. 3 Номинальная мощность резистора - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на резисторе, при которой параметры резистора сохраняются в установленных пределах в течение длительного времени, называемого сроком службы. При указании номинала вместо десятичной точки пишут букву, соответствующую единицам измерения (К — для килоомов, М — для мегаомов, E или R для единиц Ом). Например, 4K7 обозначает резистор, сопротивлением 4,7 кОм, 1R0 — 1 Ом, 120К — 120 кОм и т. д. Для мелких резисторов используют маркировку цветными полосами. Для SMD – резисторов (чипов) на плате используют маркировку следующего типа: «Резисторы» нулевого сопротивления (перемычки на плате) кодируются одной цифрой «0». Кодирование 3 или 4 цифрами ABC обозначает AB•10C Ом например 102 — это 10•10² Ом = 1 кОм ABCD обозначает ABC•10D Ом, точность 1 % (ряд E96) например 1002 — это 100•10² Ом = 10 кОм 4. Катушки индуктивности + КИ – состоят из свернутого проводника, имеют значительную индукцию при малой ёмкости и малом защитном сопротивлении. Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотноизбирательных цепях; создания магнитных полей, датчиков перемещений и т.д. Катушка используемая для подавления помех называется дросселем. Цилиндр катушки индуктивности, длина которого превышает диаметр, называется – соленоид. Магнитное поле внутри соленоида – однородно. Зачастую соленоидом называют устройство выполняющее механическую работу при втягивании электронного сердечника (электромагнит) E = (LI2)/2 - Энергия магнитного поля катушки. Катушку для индукционного нагрева называют – нагревательным индуктором. Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. L - индуктивность. 4 𝐿 = 𝜇0 𝜇 𝑆𝑒𝑁 2 𝑙 , где 𝜇0 − магнитная постоянная, μ – относительная магнитная проницаемость материала сердечника, Se – площадь сечения сердечника, l – длина сердечника, N – число витков. 5. Конденсаторы + Конденсатор – это часть электрической цепи, состоящий из 2 электродов, которые способны накапливать, сосредотачивать или передавать ток другим устройствам. Конструктивно обкладки конденсатора представляют собой электроды, у которых заряды противоположны. Для того чтобы устройство работало, между пластинами размещен диэлектрик – элемент, не позволяющий двум пластинам соприкоснуться друг с другом. Определение конденсатора произошло от латинского слова «condenso», что обозначает уплотнение, сосредоточение. DC – постоянный ток – конденсатор не проводит. AC – переменный ток – конденсатор проводит. Энергия конденсатора 𝐸 = 𝐶𝑈 2 2 , где С – ёмкость конденсатора, U – Разность потенциалов. Если конденсатор расположен параллельно, то общая ёмкость суммируется. 1 Если конденсатор расположен последовательно, то 𝐶 = 1 Ёмкость вычисляется по формуле: 𝑆 𝐶 = 𝜀 ∗ 𝜀0 ∗ , где 𝑑 S – площадь параллельных металлических пластин, d – расстояние между пластинами, ε – диэлектрическая проницаемость, ε0 – электрическая постоянная (8,85 * 10-12) Ф/м. 5 1 1 1 + 𝐶2 + 𝐶3 … + 𝐶𝑛. 𝐶1 На микросхемах ёмкость указывается в микрофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ × 10 В». Электролитические конденсаторы отличаются большей ёмкостью, но низким рабочим напряжением. Современные электролитические конденсаторы могут разрушаться без взрыва, благодаря конструкции крышки. Разрушение возможно из-за срока эксплуатации и toC испарения. Конденсатор с разорванной крышкой требует замены, если крышка вздулась, значит конденсатор скоро выйдет из строя и его ёмкость падает. Многие конденсаторы функционируют только при корректной полярности, из – за взаимодействия электролита с диэлектриком. Анод изготавливают из алюминиевой фольги. Время работы на отказ не менее 8000 часов при 105оС. Ионистор или по-другому суперконденсатор - это своеобразный гибрид обычного конденсатора с аккумуляторной батареей. Ионистор от конденсатора отличается тем, что между электродами нет привычного диэлектрического слоя. Вместо этого сами электроды выполнены из веществ с противоположными типами носителей заряда. Ёмкость конденсатора имеет прямую зависимость от площади обкладок. Именно поэтому в ионисторах использованы электроды из вспененного углерода либо же активированного угля. Пластины имеют большую эффективную площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность сохранять гораздо больший заряд. Варикап – конденсатор с переменной емкостью. Полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. 6. Фильтры в электронике. + Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных. Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают • аналоговыми и цифровыми 6 • пассивными или активными • линейными и нелинейными • рекурсивными и нерекурсивными Фильтр ни́жних часто́т (далее - ФНЧ) — пропускает частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Реализация фильтров нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, акустические барьеры, механические системы и т. д. LC фильтр низких частот – пропускает электрические колебания в полосе частот от 0 до fcp. Фильтры более высокого качества реализуются на основе катушек индуктивности и конденсаторов. В LC-фильтр могут входить также и резисторы. Связь входной и выходной цепей большинства LC-фильтров соответственно с источником сигнала и с нагрузкой производится таким образом, чтобы значения их реактивных или полных сопротивлений были равны. Все LC-фильтры обладают тем преимуществом, что на переменном токе конденсаторы и катушки индуктивности работают взаимообратно, т.е. при увеличении частоты сигнала индуктивное сопротивление возрастает, а емкостное падает. Таким образом, в LC-фильтре нижних частот реактивное сопротивление параллельного элемента при увеличении частоты сигнала уменьшается и этот элемент шунтирует высокочастотные сигналы. На низких частотах реактивное сопротивление параллельного элемента достаточно высокое. Последовательный элемент обеспечивает прохождение низкочастотных сигналов, а для сигналов высоких частот его реактивное сопротивление велико. RC – ВЧ фильтр: 7 В этой схеме входное напряжение прикладывается и к резистору, и к конденсатору. Выходное же напряжение снимается с сопротивления. При уменьшении частоты сигнала возрастает реактивное сопротивление конденсатора, а следовательно, и полное сопротивление цепи. Поскольку входное напряжение остается постоянным, то ток, протекающий через цепь, уменьшается. Таким образом, снижается и ток через активное сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения на нем. Фильтр характеризуется затуханием, выраженным в децибелах, которое он обеспечивает на заданной частоте. Режекторный фильтр: Режекторный фильтр, или полосно-заграждающий фильтр, (проф. жаргон — фильтрпробка) — электронный или любой другой фильтр, не пропускающий колебания некоторой определённой полосы частот, и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы. Полосовой фильтр: Особенность таких фильтров такова, что они имеют две частоты среза. LC-фильтры используются в силовых электрических цепях для гашения помех и для сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя. В каскадах радиоэлектронной аппаратуры часто применяются перестраиваемые LC-фильтры, например, простейший 8 LCконтур, включенный на входе средневолнового радиоприёмника обеспечивает настройку на определённую радиостанцию. Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др. 7. Генератор колебаний Мейснера + Для создания синусоидальных колебаний используют L-C колебательные контуры, однако колебания в них быстро затухают ( не более 200 циклов) Когда переключатель разомкнут, постоянный ток больше не подается на конденсатор, так что конденсатор начинает разряжаться. Когда это происходит, ток течет от отрицательной обкладки конденсатора через катушку обратно к другой обкладке конденсатора. Ток, проходящий через катушку, возбуждает магнитное поле вокруг катушки. Когда конденсатор полностью разряжается, ток через колебательный контур прекращается. В этот момент магнитное поле вокруг катушки достигает максимума. Поскольку больше нет тока через катушку, магнитное поле начинает спадать. Спадающее магнитное поле ведет к тому, что заставляет течь ток, направляя конденсатор в противоположном направлении. Когда магнитное поле вокруг катушки исчезает полностью, конденсатор снова разряжается и ток течет через катушку в обратном направлении. Ток через катушку снова возбуждает магнитное поле вокруг катушки. Когда конденсатор полностью разряжается, ток через цепь колебательного контура останавливается и магнитное поле вокруг катушки снова исчезает, заряжая конденсатор до его исходной полярности. Только что описанная последовательность представляет собой одно полное колебание. Колебания будут продолжаться до тех пор, пока в колебательном контуре имеется энергия. Частота, или скорость колебаний в схеме колебательного контура будет зависеть от размера катушки и размера конденсатора. Частота может быть изменена путем изменения размера катушки и/или изменением размера конденсатора. Сопротивление катушки, конденсатора и в проводах, которые связывают компоненты, влияют на длительность времени, в течение которого колебания будут продолжаться. Некоторая часть энергии в цепи используется для того, чтобы преодолеть сопротивления этих компонентов. Поскольку эта энергия меняется, колебания будут уменьшаться или затухать, и в конечном счете они остановятся, когда энергия иссякнет. 9 Впервые задача получения незатухающих колебаний была решена Мейснером в 1913 г. Колебательный контур включен в анодную цепь лампы, и через катушку контура протекает анодный ток. С контурной катушкой индуктивно соединена еще одна катушка – L связи (Lсв). На её выводах возникают точно такие же колебания напряжения, как и в контуре, лишь несколько меньше по амплитуде. Она приложено к сетке лампы и управляет анодным током. Усиленные колебания вновь поступают в контур и поддерживают в нем автоколебательный процесс. Для правильной работы генератора необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания из анодной цепи лампы поступали в такт с колебаниями контура. В противном случае произойдет не возбуждение, а подавление колебаний. Частоту генератора можно регулировать либо конденсаторами переменной ёмкости, либо перемещающимся сердечником катушки. 8. Характеристики генераторов + Основной характеристикой генератора колебаний является добротность резонатора. Добротность – число колебаний совершаемое до тех пор, пока амплитуда не уменьшится до 0,1 от первоначального значения. ULC контура = 100 – 200. Из-за низкой добротности на основе LC контура не удается создать генератор обладающий высокой стабилизацией по частоте. 9. Пьезо-кварцевые резонаторы + Некоторые кристаллические вещества, в том числе кварц, сегнетова соль и ряд искусственных керамик, обладают пьезоэлектрическим эффектом. Если кристалл сжать, на 10 его поверхности появятся электрические заряды. Растянуть - снова появятся заряды, но уже противоположного знака. Пьезокристалл содержит решетку положительных ионов и такую же решетку отрицательных ионов, как бы вложенную в первую. При деформации кристалла положительные ионы “выступают наружу”, создавая на этой поверхности положительный заряд. А на противоположной поверхности “выступают” отрицательные ионы, создавая такой же заряд противоположного знака. Изменился знак деформации (сжали, вместо того чтобы растягивать) - изменился и знак зарядов на поверхностях кристалла. Заряд может достигать несколько тысяч вольт, однако ток создаваемый пьезоэлектричеством чрезвычайно мал. Существует и обратный пьезоэффект – при подаче напряжения на кристалл он деформируется (один из способов получения ультразвука). Таким образом кристалл при выведении из равновесия может колебаться по синусоидальному закону, как в геометрическом положении, так и в электрическом. Добротность такого резонатора состоит из нескольких сотен тысяч. Колебания генераторов на пьезокварцевом кристалле очень стабильны и применяются в часах. Нестабильность кварцевых часов составляет 3*10-6 за несколько дней. При тщательном проектировании и термостатичности можно добиться 10-12. Недостатком генератора на основе кварца является невозможность изменять частоту колебаний и невозможность создания колебаний большей мощности. 10. Генераторы прямоугольных колебаний + Если генератор электрических колебаний настроить на выход динамика на частоте инфразвука и переключить форму колебаний с sin на прямоугольные, то не слышимый синусоидальный звук превращается в слышимый. Это происходит потому что в отличии от простых синусоидальных колебаний, где присутствует только одна частота, в прямоугольных присутствует целый ряд частот которые способно уловить ухо. Великий французский математик Фурье доказал, что любые периодические колебания можно представить суммой простых синусоидальных колебаний с кратными частотами. Их набор называется спектром исходного колебания. Спектр можно изобразить графически, отложив по горизонтали частоты, а по вертикали относительные амплитуды гармоник. Точное приближение к исходной форме колебания дает чаще всего лишь бесконечный ряд гармоник. Например, для точного воссоздания симметричного прямоугольного колебания нужен бесконечный ряд нечетных гармоник основной частоты. Разумеется, передать такой сложный спектр по проводам электрической 11 сети намного труднее, чем одну спектральную гармонику синусоидального колебания. Высшие гармоники неизбежно будут ослабляться по амплитуде, да и фаза их изменится, что приведет к искажению передаваемого прямоугольного колебания. Только синусоидальное колебание меньше всего подвержено искажениям при передаче. Прямоугольное колебание можно представить суммой синусоидальных гармоник с амплитудами А" = AJn (где п = 1, 3, 5...) 12 Принципиальная схема генератора прямоугольных колебаний Выходное напряжение генератора колеблется между значениями + U вых.max и –Uвых.max ОУ, создавая колебания прямоугольной формы. Период Т колебаний генератора определяется произведением RС и соотношением RA/RB. Схема работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на выходе усилителя появляется напряжение сдвига Uвых.сдв, которое имеется даже в том случае, если ко входам ОУ не приложено дифференциальное входное напряжение. Часть этого напряжения по цепи ОС поступает на неинвертирующий вход ОУ (UB) и так как в первоначальный момент конденсатор С разряжен и инвертирующий вход потенциально заземлен, то напряжение оказывается полностью приложенным между входами 1 и 2 ОУ. Напряжение UB сразу усиливается в число раз, равное коэффициенту усиления ОУ без ОС, что приводит к переходу ОУ в состояние насыщения. Переход к Uвых.max происходит со скоростью нарастания ОУ. В момент насыщения ОУ начинает заряжаться через резистор R конденсатор С. Как только напряжение на конденсаторе UC достигнет значения немного большего чем UB, напряжение на выходе ОУ перейдет к отрицательному пределу –Uвых.max При этом в результате действия положительной обратной связи часть этого напряжения (–UB) поступит на неинвертирующий вход ОУ. Конденсатор С начнет перезаряжаться от + UB до –UB и как только значение UC < UB, напряжение на выходе ОУ вновь станет равным +Uвых.max. 11. Транзисторы + Транзистор – полупроводниковый триод усилительное действие которого основано на управлении движением носителей электронных зарядов в полупроводниковом кристалле. Транзи́стор (англ. transistor), полупроводнико́вый трио́д — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами[1], способный от 13 небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем. Транзистор применяется в: • Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме[17][18] . Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов[19][20]. Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме. • Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в линейном усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы). • Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговом виде. Это применяется, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания, приводы электродвигателей. Работа транзистора характеризуется семействами входных и выходных характеристик (рис. 1.5). Эти характеристики приводятся в справочниках по транзисторам. Входные характеристики (рис. 1.5, а) показывают зависимость тока базы (IБ) от напряжения между базой и эмиттером (UБЭ), при постоянном напряжение, приложенному к коллектору (UКЭ). Входные характеристики слабо зависят от напряжения на коллекторе, поэтому обычно приводят две зависимости (например, в справочнике [3] приводятся входные характеристики транзисторов при UКЭ = 0 и 5В). Выходные характеристики (рис. 1.5, б) показывают зависимость тока коллектора (IК) от напряжения между коллектором и эмиттером (UКЭ), при постоянном значении тока базы (IБ). Выходные характеристики приводятся для достаточно большого (5 и более) значений тока базы (IБ1, IБ2, IБ3, и т. д.), различающихся на фиксированное значение ΔIБ. 14 Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных). Основными носителями заряда в транзисторе n–p–n-типа являются электроны, а в p–n– p-транзисторе – дырки Коллекторный ток в pnp – транзисторе всегда меньше эмиттерного. Коллекторный ток связан с током эмиттера коэффициентом α. Коэффициент α -тем ближе к 1 чем больше концентрация основных носителей заряда в эмиттере и меньше ширина базового слоя полупроводниковой структуры. Принцип действия основан на использовании зарядов двух знаков – дырок и электронов, поэтому их называют биполярными. Позднее были разработаны транзисторы основанные на использовании носителей заряда только одного типа – дырок или электронов. 15 , где И – Исток, З – Затвор, С – Сток. Физическая структура МОП-транзистора со встроенным каналом. МОП – метал-окисел-полупроводник , где И – Исток, З – Затвор, С – Сток. Управление током транзисторов осуществляется изменением проводимости каналов, через которые протекает ток под воздействием электрического поля, поэтому они называются униполярными или полевыми транзисторами. Плюсы: высокое быстродействие и большое входное сопротивление, что позволяет свести к минимуму потери мощности на управление ключевыми элементами преобразующих устройств. Основным недостатком является высокое сопротивление во включенном состоянии. Полевой транзистор с плавающим затвором Его особенность в том, что внутри диэлектрика между затвором и легированной областью сделан ещё один - плавающий. Плавающий затвор это фактически проводник в слое диэлектрика. Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его 16 потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор или сквозь потенциальный барьер Si-SiO2 путем квантово-механического туннелирования, или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки. Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t и пороговое напряжение, определяется как где J(t)-величина инжекционного тока в момент времени t. Есть два устойчивых состояния: 1)ток не идёт через транзистор, есть заряд на плавающем затворе 2)ток идёт, нет заряда на плавающем затворе. А два устойчивых состояния дают право такому транзистору использоваться в качестве запоминающего устройства. Двоичная информация в такой структуре хранится в виде отрицатель­ного заряда электронов на плавающем затворе Q. Логической единице соответствует наличие некоторого заряда Q<0, а логическому нулю — его отсутствие (Q= 0). При наличии отрицательного заряда на плавающем затворе значительно увеличивается пороговое напряжение, и характеристика прямой передачи транзистора смещается в сторону более высоких напряжений (это смещение может достигать 12 В) Принцип работы: Чтобы записать в плавающий затвор информацию создается большая разность потенциалов между стоком и истоком и естественно положительный на затвор. Возникает канал. В транзисторе в этом случае протекает большой ток, причём такой силы, что, слегка пробивает изолятор и заносит электроны в плавающий затвор. При резком выключении тока электроны остаются в плавающем затворе, так как покинуть его уже не могут, ведь энергию для преодоления изолятора даёт большой ток. Плавающий затвор остаётся отрицательно заряжен при полном отключении напряжения. Ток через такой транзистор не пойдёт в дальнейшем, так как отрицательный заряд эффектом поля закрывает канал. Этот эффект называется лавинной инжекцией электронов в диэлектрик. В диэлектрике электроны под действием поперечного электрического поля дрейфуют к плавающему затвору и накапливаются на нем. В последнее время для записи и стирания информации используется также туннельный эффект. Чтобы стереть заряд на плавающем затворе подаём на затвор большое напряжение "сгоняющее" с плавающего затвора электроны и заряд. Стирание информации осуществляется 17 за счет пере­хода электронов с плавающего затвора в диэлектрик при облучении кристалла ультрафиолетовым светом. Теперь нет заряда на плавающем затворе и при подаче положительного потенциала на затвор канал открывается и ток идёт. Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник. 12. Усилители переменного тока Двухкаскадный усилитель переменного тока. Для увеличения коэффициента усиления соединяют последовательно несколько каскадов. Каждый каскад такого усилителя содержит транзистор, два резистора и разделительный конденсатор. 18 Резистор Rб1 – создает некоторый начальный ток базы, который называют током смещения. Этим током транзистор выводится на линейный участок усиления и становится способным усиливать как положительные так и отрицательные полуволны входного сигнала. Ток коллектора пройдя через резистор нагрузки создает на нём некоторое падения напряжения которое изменяется в такт с изменением входного сигнала. Обычный режим работы транзистора подбирают таким образом, чтобы при отсутствии сигнала выдавалось напряжение = половине напряжения питания. Усилители переменного тока как правило проще, надежнее и стабильнее усилителей постоянного тока. Ранее предпочитали даже такой сложный путь: преобразовывать входной сигнал постоянного тока в переменный, усилить переменный ток, а затем снова выпрямить в постоянный. С появлением транзисторов с различными типами проводимостей положение изменилось. Пару транзисторов npn и pnp и примерно одинаковыми параметрами мощности, коэффициента передачи, силы тока называют комплиментарной парой. Усилитель мощности Для данного усилителя нужно два источника питания с одинаковым направлением, но разными полярностями +Eпит и -Eпит. На вход можно подавать как + так и -: - при + отпирается npn-транзистор, и в нагрузку течет ток положительной полярности - при – полярности отпирается pnp-транзистор и в нагрузку течет ток отрицательной полярности. 19 Если сигнала нет, то оба транзистора закрыты и от источника питания не потребляется почти никакой мощности. Этот каскад называется комплиментарным эмиттерным повторителем. Его обычно размещают на выходе усилителя постоянного тока. Обычный усилительный каскад на одном транзисторе имеет большое постоянное напряжение на коллекторный нагрузке не зависящее от сигнала. Его необходимо минимизировать, к тому же оно меняется от колебательного движения и нагрева транзисторов и резисторов. Этих недостатков лишена схема дифференциального включения двух транзисторов. Если на базу 1 из транзисторов подан открытый положительный потенциал, то ток идёт через этот транзистор, возрастает падение напряжения на Rэ, следовательно потенциал на обоих транзисторах тоже возрастает, но потенциал базы второго транзистора остается неизменным, значит второй транзистор будет прикрываться, сумма коллекторных токов обоих транзисторов постоянна, но сами токи могут изменяться (качели). У дифференциального каскада – 2 входа, причем реагирует он на разность потенциалов между входами. Синфазные изменения входных напряжений также как и напряжений питания мало влияют на работу каскада. Выходной сигнал снимают с обоих выводов или же с одного из них. Подобные каскады с эмиттерной связью очень распространены в современной электронике. 20 13. Операционный усилитель. + У операционного усилителя два входа: - «+» - не инвертированный - «-» - инвертированный Если на не инвертированный вход подать положительный сигнал, то потенциал на выходе возрастет, но если положительный сигнал подать на инвертированный вход, то потенциал на выходе уменьшится. Если на оба входа подать одинаковый сигнал, то потенциал на выходе не изменится. Операционный усилитель подавляет синфазный сигнал. В настоящее время ОУ, изготовленные по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми элементами, а благодаря разнообразным внешним обратным связям позволяют создавать устройства самого различного функционального назначения (усилители, сумматоры, компараторы, фильтры, дифференциаторы, интеграторы и т. д.). По сложности операционный усилитель приближен к схеме телевизора. Это позволяет резко повысить качество усиления и сделать ОУ чрезвычайно термостабильным (0,0001В/oC) 14. Усилители звуковой частоты на основе операционного усилителя. + Пример работы усилителя звуковой частоты: 21 Источником сигнала служит микрофон, подключенный к неинвертированому входу. Цепочка из двух резисторов образует цепь обратной связи. Собственный коэффициент усиления ОУ очень велик, что на практике никогда не нужно, но он позволяет ввести глубокую отрицательную связь, а она снижает искажения усилителя и выравнивает его частотную характеристику, в результате усилитель вносит пренебрежимо малые искажения в очень широкой полосе частот. Малейшая разность потенциалов между входами меняет потенциал выхода. Последний передается снова на инвертирующее напряжение, а затем на R1, R2. Пусть например, входной потенциал на инвертирующем входе меньше чем на не инвертирующем. Потенциал выхода немедленно возрастает и повысит через делитель потенциал инвертирующего входа. Если на инвертирующем входе потенциал растет, то потенциал выхода падает, значит напряжения на инвертирующем почти точно соответствует входному, а выходное в R2/R1 раз больше. Таким образом коэффициент усиления определяется только отношением сопротивлений двух резисторов, а не зависит от свойств самого ОУ. Следовательно коэффициент усиления при наличии обратной связи очень стабилен и не подвержен изменениям при нагреве, колебательным напряжениям и воздействиям подобных факторов. 15. Сумматор и компаратор на основе операционного усилителя+ Работа ОУ в качестве сумматора Если на заземлённом не инвертированном входе нет сигнала, то его практически не будет на инвертирующем. Инвертирующий вход на этой схеме – виртуальная или искусственная «земля». Подчеркивая отсутствие на нем сигнала. 22 Это означает, что источники сигнала оказываются независимыми и не мешают друг другу. Сигнал одного источника никогда не попадет в другой. Работа ОУ в качестве компаратора. Компаратор – устройство для сравнения между собой двух разных величин чаще всего напряжения. В этом устройстве нет отрицательной обратной связи и высокий собственный коэффициент усиления используемый полностью. Если U1>U2, то потенциал на выходе принимает максимально возможное значения чуть меньше напряжения питания. В этом случае говорят, что усилитель ушел в насыщение. Если U1<U2, то это отрицательное значение, следовательно компаратор имеет релейную характеристику. и выдает на выходе 0 и 1 характерных для цифровой технологии. 16. Логические элементы в цифровой технике Основные логические элементы цепи используемые для обработки сигналов устройства. Функция Обозначение Вход Выход Булева логика Инвертор 0 1 НЕ (NOT) 1 0 И (AND) 00 0 10 0 01 0 11 1 00 1 10 1 01 1 11 0 НЕ И (NAND) 23 А = ̅А AB = Y AB = ̅Y ИЛИ (OR) НЕ ИЛИ (NOR) 00 0 10 1 01 1 11 1 00 1 10 0 01 0 11 0 A+B= Y A+B= ̅Y Посредством этих элементов микроконтроллер может выполнять логические операции. Цифровые системы строятся на основе сигналов логических элементов. Такие комбинации могут быть описаны таблицей истинности, Булевой функцией или логической схемой. ̅А* В* ̅С*D=Y Не А и В и не С и D 17. Пример памяти на основе логических элементов. + 3И-НЕ Если на какой-либо вход попадает сигнал «-», то на базу транзистора попадет сигнал. Транзистор открывается, и на выходе «3», через эмиттер коллектор возникает «+», в противном случае транзистор закрыт и на выходе 3 – «-». Соединение, представленное пунктирной линией, придает схеме новое качество. При замыкании «К2» лампочка загорится, она будет продолжать гореть и после отпускания 24 кнопки. Не изменит положение и последующее отпускание кнопки. Выключить лампочку можно только замкнув «К1». Чтобы лампу зажечь вновь необходимо нажать кнопку «К2», таким образом если у двух элементов И-НЕ соединить выход одного со входом другого, то образуется система обладающая памятью. Такой элемент имеющий два устойчивых состояния имеет название триггер. Замечательным качеством является быстродействие, поэтому переключать можно не только кнопкой, но и очень коротким электрическим сигналом. 18. Триггеры в микропроцессорной технике В качестве элементов памяти для построения схем и узлов цифровых ЭВМ используются триггеры. Триггеры могут строиться на базе обычных логических элементов. Триггер представляет собой элемент с двумя устойчивыми состояниями – “0” и “1”, входами, подавая сигналы на которые можно переключать состояния, и выходами (часто двумя – прямым и инверсным), сигналы на которых отображают состояние триггера. Причем, будучи переведен в какое-либо из них, триггер будет сохранять его бесконечно долго, пока не пропадет питание или на его вход не подадут изменяющий состояние сигнал. Триггеры различают по типам в зависимости от того, как работают их входы. Триггер служит для запоминания и хранения одного бита информации, т. е. 0 или 1. Он имеет два устойчивых состояния, которые определяются установившимся уровнем напряжения на его выходе. Считают, что триггер находится в единичном состоянии (состояние 1), когда выход Q = 1, а выход ̅Q = 0, и в нулевом состоянии (состояние 0). когда выход Q = 0, а выход ̅Q=1. Триггеры в микропроцессорной технике строятся на основе логических элементов. Наиболее простым триггером является RS -триггер, у которого имеется два входа R и S и два выхода Q и ̅Q (рис. 1). Выход Q называется прямым, а выход ̅Q – инверсным. Его схема на логических элементах ИЛИ — НЕ дана на рисунке 2. Легко проверить по схеме рисунка 2, что когда на входе S триггера установлена 1, а 0 на входе R, то на выходе Q ̅ установится 0, а 1 на выходе Q (рис. 3). Подадим затем 0 на вход S при R=0. Что же произойдет с триггером? Ничего. На выходе Q останется 1. Подадим снова 1 на вход S — состояние триггера не изменится. Таким образом, триггер сохраняет полученную им ранее информацию, как бы «запоминает» ее. Это свойство триггера широко используется в вычислительной технике для записи и хранения информации (запоминающие устройства). 25 Когда же триггер меняет свое состояние? Подадим 1 на вход R, а 0 на вход S (рис. 4) — триггер сразу же изменит свое состояние. Теперь на выходе Q будет 0, а 1 на выходе ̅Q. Последующие изменения 1 на 0 или 0 на 1 на входе R не изменят состояние триггера. Таким образом, подача 1 на вход S триггера устанавливает его в единичное состояние, а подача 1 на вход R — в нулевое состояние. В случае, когда на входах R и S окажутся 1, то на двух выходах Q и Q ̅ должны быть 0. А это противоречит условию работы триггера, т. к. выходы триггера не могут принимать одинаковые, значения. Этот случай (R = S = 1) для данного триггера является запрещенным. На основании принципа работы RS-триггера составим его таблицу переходов (табл. 1). Триггер, названный ̅RS – триггером, построен на логических элементах И—НЕ (рис. 5). Для установки ̅RS -триггера в состояние 1 необходимо подать на вход ̅S 0, а для установки в состояние 0 подается 0 на вход ̅R. Таблица переходов R ̅ S – триггера: 26 Для R ̅ S ­триггера запрещенным является случай, когда ̅R=0 и ̅S=0 . Если же на обоих входах установить единицы (̅R=1 и ̅S=1), то ̅RS -триггер сохранит то состояние, в котором он находился до поступления этих единиц. Рассмотренные RS ­ и R ̅ S -триггеры являются асинхронными, т.е. они реагируют на сигналы в момент их появления и на предыдущее состояние триггера. 19. Полупроводники Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. По виду проводимости подразделяются на полупроводники n-типа (электронные) и pтипа (дырочные). Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. . Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными. Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется 27 дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. Ток идёт, так как отрицательные заряды тянутся к «+», а положительные к «-». Следовательно они меняются местами Ток не идёт, так как отрицательные заряды притягиваются к «+», а положительные к «», вследствие чего они оказываются в разных сторонах. Полупроводниковый диод Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником nтипа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате 28 в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В. В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на nполупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток).При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обеих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт. Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником nили p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Легирование - Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). 20. Классификация и обозначения диодов. Под диодом обычно понимают электровакуумные или полупроводниковые приборы, которые пропускают переменный электрический ток только в одном направлении и имеют два контакта для включения в электрическую цепь. Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Это свойство и определяет назначение диода: • преобразование высокочастотных модулированных колебаний в токи звуковой частоты (детектирование); • выпрямление переменного тока в постоянный. Классификация диодов По исходному полупроводниковому материалу диоды делят на четыре группы: • германиевые, 29 • кремниевые, • из арсенида галлия, • из фосфида индия. На корпусе диода обычно указывают материал полупроводника, из которого он изготовлен (буква или цифра), тип (буква), назначение или электрические свойства прибора (цифра), букву, соответствующую разновидности прибора, и дату изготовления, а также его условное обозначение. Условное обозначение диода (анод и катод) указывает, как нужно подключать диод на платах устройств. Диод имеет два вывода, один из которых катод (минус), а другой — анод (плюс). Условное графическое изображение на корпусе диода наносится в виде стрелки, указывающей прямое направление, если стрелки нет, то ставится знак «+». На плоских выводах некоторых диодов (например, серии Д2) прямо выштамповано условное обозначение диода и его тип. При нанесении цветового кода, цветную метку, точку или полоску наносят ближе к аноду (рис. 1). Для некоторых типов диодов используется цветная маркировка в виде точек и полосок (табл. 1). Диоды старых типов, в частности точечные, выпускались в стеклянном оформлении и маркировались буквой «Д» с добавлением цифры и буквы, обозначающих подтип прибора. Германиево-индиевые плоскостные диоды имели обозначение «Д7». Ламповый диод: 30 Анод откуда вытекает ток, Катод куда втекает. Диоды имеют два состояния: включенное (высокая проводимость тока) и выключенное (низкая проводимость тока). Если к р-области присоединить «+», а к n-области «-», то носители тока будут двигаться навстречу друг к другу. В результате через границу p-n перехода проходит прямой ток Iпр. Внешнее напряжение так же называется прямым Uпр. При изменении полярности приложенного напряжения, дырки р-области и электроны n-области будут удаляться от границы раздела, что приводит к увеличению сопротивления рn перехода, а поток основных носителей заряда падает до нуля. Неосновными носителями создается незначительный ток Iобр. Конструктивно кремниевые среды имеют в своей основе тонкие диски вырезанные из монокристалла кремния с электронным типом проводимости, в котором сплавление с алюминием, либо диффузией в Si Al или B создается слой с электропроводимостью р-типа. На границе раздела электронного слоя с основным металлом образуется p-n переход. Кремниевый диск с p-n переходом впаивается между молибденовыми пластинами, обладающими таким же коэффициентом минимального рассеивания как и кремний и характеризуется теплопроводностью. Германиевые диоды по сравнению с кремниевыми обладают меньшим прямым падением напряжения при пропускании прямого тока (0,3-0,6 В – у германия, 0,8 – 1,2 В – у кремния), а так же меньшими значениями допустимых обратных напряжений (600-800 – у германия, 1500-2800 – у кремния). Обратный ток у Ge диодов на порядок меньше, чем у Si диодов. 21. Стабилитроны. 31 Стабилитрон – полупроводниковый диод для стабилизации напряжения в системах питания. По сравнению с обычными диодами имеет низкое регламентированное напряжение пробоя и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительных изменениях силы обратного тока. Материалы для p-n переходов стабилитронов имеют высокую концентрацию легированных примесей. Электрический пробой является обратимым. До напряжения 5,6В стабилитроны работают по механизму туннельного пробоя. Выше 5,6 В – лавинный пробой. Напряжение стабилитронов варьируется от 3-400В. Стабилитрон относится к одному из применяемых радиоэлектронных элементов. Каждый более-менее качественный блок питания содержит узел стабилизации напряжения, которое может изменяться при изменении сопротивления нагрузки либо при отклонении входного напряжения от номинального значения. Стабилизация напряжения выполняется главным образом с целью обеспечения нормального режима работы остальных радиоэлементов устройства, например микросхем, транзисторов, микроконтроллеров и т.п. Стабилитроны широко используются в маломощных блоках питания либо в отдельных его узлах, мощность которых редко превышает десятки ватт. Главное преимущество стабилитронов – их малая стоимость и габариты, поэтому они до сих пор не могут вытисниться интегральными стабилизаторами напряжения типа LM7805 или 78L05 и т.п. Стабилитрон очень похож на диод, поскольку его полупроводниковый кристалл помещен в аналогичный корпус. Условное графическое обозначение стабилитрона на чертежах электрических схем также похоже на обозначение диода, только со стороны катода добавлена короткая горизонтальная черточка, направленная в сторону анода. Принцип действия стабилитрона. 32 Принцип работы прибора заключается в подаче на диод через резистор запирающего напряжения, величина которого превышает величину напряжения пробоя самого диода. До того времени, пока не наступил момент совершения пробоя, через стабилитрон идут токи утечки величина, которых очень незначительна, в то же время сопротивление прибора очень высокое. Отличается от диода тем, что имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока). 22. Тиристоры. Тиристор представляет собой однонаправленное полупроводниковое твердотельное устройство с четырьмя слоями чередующегося материала P и N-типа. Он состоит из трех электродов: анода, катода и затвора. Анод — это положительный конец, а катод — это отрицательный конец. Вход контролируют поток тока между анодом и катодом. Он используется в электронных устройствах и оборудовании для контроля электроэнергии или тока. Он действует как выпрямитель и может передавать ток только в одном направлении. Основным элементом тиристоров является кремниевый диск с электронным типом электропроводимости в котором создается полупроводниковая структура p-n-p-n. В результате получается монокристаллическая система с тремя p-n- переходами включенными последовательно. Если на управляющий электрод тиристора управляющий сигнал не подан, а прямое или обратное напряжение между анодом и катодом не превышает некоторого уровня, то тиристор 33 имеет большое сопротивление в прямом и обратном направлениях. Ток через прибор практически не протекает. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое при положительном напряжении на аноде может быть осуществлено тремя способами: - повышением приложенного напряжения вплоть до напряжения переключения (включение по аноду как в динисторе) - подачей «+» напряжения на управляющий электрод относительно катода, то есть воздействие на цепь управления (триодный тиристор) - облучение базовой области Б световым потоком (фототиристор или оптронный тиристор) С момента когда тиристор находится в открытом состоянии ток управления уже не влияет на работу прибора и может быть прекращен. Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо удалить из базовых областей избыток носителей заряда. Этот процесс можно получить: - уменьшением прямого тока (удержания) до минимального значения. При питании тиристора от переменного тока это произойдет естественным путём. - размыкание анодной цепи или кратковременной подачи на вентиль обратного напряжения полученного от вспомогательного источника тока (обычно от предварительно заряженного конденсатора для выключения тиристора). Преимущества тиристора включают в себя: • Бюджетный. • Может быть защищен с помощью предохранителя. • Может обрабатывать большое напряжение / ток. • Способен контролировать мощность переменного тока. • Очень легко контролировать. • Легко включить. • Занимает меньше времени на работу. • Тиристорные выключатели могут работать с большой частотой. • Требует меньше места по сравнению с механическими переключателями. • Может использоваться для надежных операций. • Стоимость обслуживания тиристора гораздо меньше. • Очень прост в использовании для сложного управления. • Может использоваться в качестве генератора в цифровых цепях. 34 • Может быть подключен параллельно и последовательно для обеспечения электронного управления на высоких уровнях мощности. • Тиристоры проводят ток только в одном направлении. • Он может использоваться как защитное устройство, как предохранитель в линии электропередачи. К недостаткам тиристора можно отнести: • Не может использоваться для сверх высоких частот. • В цепи переменного тока тиристор должен быть включен на каждом цикле. • Не часто используется в цепях постоянного тока, так как тиристор нельзя отключить, просто сняв привод затвора. Фототиристор 35 23. Симисторы Два тиристора включенные встречно-параллельно и есть симистор, то есть симметричный тиристор. Изображение симистора: У симистора три электрода (вывода). Один из них управляющий. Обозначается он буквой G(от англ. слова gate – "затвор"). Два остальных – это силовые электроды (T1 и T2). На схемах они могут обозначаться и буквой A (A1 и A2). Как работает симистор? Если у тиристора есть конкретные анод и катод, то электроды симистора так охарактеризовать нельзя, поскольку каждый электрод является и анодом, и катодом одновременно. Поэтому в отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока. Очень простой схемой, характеризующей принцип работы и область применения симистора, может служить электронный регулятор мощности. В качестве нагрузки можно использовать что угодно: лампу накаливания, паяльник или электровентилятор. Симистор управляется как отрицательным, так и положительным током. 36 Плюсы симистора: • Невысокая стоимость. • По сравнению с электромеханическими приборами (электромагнитными и герконовыми реле) большой срок службы. • Отсутствие контактов и, как следствие, нет искрения и дребезга. К недостаткам можно отнести: • Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе. • Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое. • Реагирует на внешние электромагнитные помехи, что вызывает ложное срабатывание. 24. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы Оптоэлектронным называют полупроводниковый прибор, излучающий или преобразующий электромагнит­ное излучение или чувствительный к этому излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, либо использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов. По принципу действия и выходному эффекту опто-электронные полупроводниковые приборы подразделяют­ся на излучающие, приемники излучения и оптопары, или оптроны. Излучающие полупроводниковые приборы. Излучающим - называют полупроводниковый прибор, пред­назначенный для непосредственного преобразования электрической (или световой) энергии в энергию свето­вого излучения. Излучающие полупроводниковые приборы подразделяются на четыре группы: светоизлучающие диоды, лазеры, электролюминесцентные порошковые и пленочные излучатели. Наиболее характерным представителем излучающих полупроводниковых приборов является светоизлучающий диод (СИД), который преобразует электри­ческую энергию в энергию некогерентного светового из­лучения. Если Электронно-дырочный переход светоизлучающего диода включить в прямом направлении, то в результате инжекции под­вижных носителей заряда начнется их интенсивная ре­комбинация в прилегающих к ЭДП областях полупроводника и в самом ЭДП. При рекомбинации зарядов происходит переход электронов с более высоких энергетических уровней, лежащих в зоне проводимости, на более низкие, расположенные в валентной зоне. Этот переход сопровождается выделением части энергии в виде тепла (фононная рекомбинация) или электромагнит­ного излучения (фотонная рекомбинация). В СИД используется фотонная рекомбинация, которая является преобладающей в полупроводниках из арсенида (GaAs) и фосфида (GaP) галлия, карбида 37 кремния (SiC) и со­провождается излучением видимого света в диапазоне от красного до голубого. Если в одном кристалле полупроводника создать несколько излучающих ЭДП, то получится матричный СИД, используемый в цифровых и буквенных индикаторах. При соответствующем включении отдельных групп ЭДП матричного СИД высвечивается цифра или буква. Полупроводниковые приемники излучения. Принцип действия полупроводниковых приемников электромагнит­ного излучения основан на использовании фотоэлектри­ческих явлений, или фотоэффектов. Различают два вида фотоэффекта — внутренний и внешний. Под внутренним фотоэффектом понимают переход электронов вещества на более высокий энергетический уровень под действием излучения. Это приводит к изме­нению концентрации подвижных носителей заряда и, следовательно, к изменению электрических свойств полу­проводника. Внешний фотоэффект представляет собой фотоэлект­ронную эмиссию, которая заключается в том, что испуска­ние электронов тем или иным веществом происходит при воздействии на это вещество ультрафиолетового, види­мого или инфракрасного излучения. Полупроводниковыми приемниками излучения являют­ся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фото­эффект. Фоторезистор представляет собой фоточувстви­тельную полупроводниковую пластинку или пленку (обыч­но из сульфида или селенида кадмия, а также из суль­фида свинца), нанесенную на диэлектрическую подложку. От концов пластинки делают выводы и помещают ее в пластмассовый корпус с окошком. Если между выводами фоточувствительной пластинки включить источник ЭДС, в цепи потечет небольшой ток, называемый темповым током. При освещении пластинки через окошко в корпусе сила тока увеличивается, что эквивалентно уменьшению сопротивления фоторезистора. Фотодиод —это фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода. В основу работы фотодиода положена зависи­мость обратного тока от освещенности. Фототранзистор — это фотогальванический при­емник излучения, фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора, обеспечивающую уси­ление. Если базовый вывод подключить к источнику напря­жения, как это делается у обычного биполярного тран­зистора, то можно получить не только оптическое, но и электрическое управление коллекторным током фототран­зистора. 38 Фототиристором называют фотогальванический приемник излучения, фоточувствительный элемент которого имеет структуру тиристора. Работа фототири­стора подобна работе тринистора. Различие заключается лишь в том, что напряжение включения, при котором происходит переход фототиристора из закрытого состоя­ния в открытое, определяется не управляющим током, а освещенностью одной из баз. Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фото­тиристоры широко применяются в устройствах автоматики и измерительной техники, системах телеуправления и сигнализации, в вычислительной технике, фотометрии, импульсных устройствах, оптопарах и др. Оптопары. Оптопарой, или оптроном, называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержа­щий излучающий и фотоприемный элементы, между ко­торыми имеется оптическая связь и обеспечена электри­ческая изоляция 25. Линейный блок питания Вторичные источники питания являются неотъемлемой частью конструкции любого радиоэлектронного устройства. Они предназначены для того, чтобы преобразовывать переменное или постоянное напряжение электросети или аккумулятора в постоянное или переменное напряжение, требуемое для работы устройства, это блоки питания. Источники питания бывают не только включены в схему какого-либо устройства, но и могут выполнятся в виде отдельного блока и даже занимать целые цеха электроснабжения. К блокам питания предъявляется несколько требований. Среди них: высокий КПД, высокое качество выходного напряжения, наличие защит, совместимость с сетью, небольшие размеры и масса и др. Среди задач блока питания могут числится: • Передача электрической мощности с минимумом потерь; • Трансформация одного вида напряжения в другое; • Формирование частоты отличной от частоты тока источника; • Изменение величины напряжения; • Стабилизация. Блок питания должен на выходе выдавать стабильный ток и напряжение. Эти параметры не должны превышать или быть ниже определенного предела; • Защита от короткого замыкания и других неисправностей в источнике питания, которые могут привести к поломке устройства, которое обеспечивает блок питания; • Гальваническая развязка. Метод защиты от протекания выравнивающих и других токов. Такие токи могут приводить к поломкам оборудования и поражать людей. Но зачастую перед блоками питания в бытовых приборах стоят только две задачи – преобразовывать 39 переменное электрическое напряжение в постоянное и преобразовывать частоту тока электросети. Среди блоков питания наиболее распространены два типа. Они различаются по конструкции. Это линейные (трансформаторные) и импульсные блоки питания. Изначально источники питания изготавливались только в таком виде. Напряжение в них преобразовывается силовым трансформатором. Трансформатор понижает амплитуду синусоидальной гармоники, которая затем выпрямляется диодным мостом (бывают схемы с одним диодом). Диоды преобразуют ток в пульсирующий. А далее пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра на конденсаторе. В конце ток стабилизируется с помощью триода. Чтобы просто понять, что происходит, представьте себе синусоиду – именно так выглядит форма напряжения, поступающего в наш блок питания. Трансформатор как бы сплющивает эту синусоиду. Диодный мост горизонтально рубит ее пополам и переворачивает нижнюю часть синусоиды наверх. Уже получается постоянное, но все еще пульсирующее напряжение. Фильтр конденсатора доделывает работу и «прижимает» эту синусоиду до такой степени, что получается почти прямая линия, а это и есть постоянный ток. Примерно так, возможно, чересчур просто и грубо, можно описать работу линейного блока питания. К преимуществам относится простота устройства, его надежность и отсутствие высокочастотных помех в отличие от импульсных аналогов. К недостаткам можно отнести большой вес и размер, увеличивающиеся пропорционально мощности устройства. Также триоды, идущие в конце схемы и стабилизирующие напряжение снижают КПД устройства. Чем стабильнее напряжение, тем большие его потери будут на выходе. 26. Импульсные блоки питания 40 Импульсные источники питания используют эффект накопления энергии в катушке индуктивности, а также возможности высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Импульсный ток протекает через катушку обеспечивая накопление запаса энергии в магнитном поле на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передается в нагрузку. Конденсатор выходного сглаженного фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизацию выходного напряжения обеспечивают автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе. Для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи. Хотя схема импульсного блока сложна, она позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Увеличение частоты позволяет улучшить массо-габаритные характеристики. К недостаткам ИБП – относят высокий уровень импульсных шумов. В случае неисправности компоненты выходят из строя «всем скопом» 27 Цифровые интегральные микросхемы Показателем сложности микросхемы служит степень интеграции. Она определяется формулой K=lgN, где N- число элементов образующих данную микросхему. Значение К округляют до ближайшего целого числа. Промышленно выполняют микросхемы с N от 1 до 7 и более. При большой степени интеграции достигается более высокое быстродействие. Переключение допустимо и в ненасыщенном режиме. В качестве активных элементов используют два типа транзисторов: Биполярные и полевые. Полевые имеют структуру МОП. Способ соединения транзисторов между собой в пределах одного элемента определяет их логический базис или логику. Наибольшее распространение получила Транзисторно -транзисторная логика (ТТЛ). В наименьшей степени ДТЛ – диодно-транзисторная логика. Для удобства разработчиков аппаратуры и по технологическим признакам цифровые интегральные схемы выпускаются сериями. Серия – совокупность микросхем различного функционального назначения, которые имеют согласованные электрические и временные параметры для совместного использования. 41 Микросхемы одной серии изготовлены по единой технологии и имеют сходное конструктивное исполнение. В состав серий входят десятки типов микросхем. От логических элементов до функционально законченных узлов (счётчиков, регистров, сумматоров, запоминающих устройств, микропроцессоров и т.д.) Параметры микросхем. Некоторые параметры касаются конкретной микросхемы, а некоторые характеризуют все изделия данной серии. Если в условиях эксплуатации эти параметры будут выдержаны – завод изготовитель гарантирует нормальную работу микросхемы. Значения параметров задаются с запасом и не исчерпывают физических возможностей микросхем. Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам: 1. Быстродействие (задержка переключения); 2. Напряжение питания; 3. Потребляемая мощность; 4. Коэффициент разветвления по выходу; 5. Коэффициент объединения по входу; 6. Помехоустойчивость; 7. Энергия (работа) переключения; 8. Надёжность; 9. Стойкость к климатическим и к механическим воздействиям. Быстродействие характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой ещё не нарушается нормальное функционирование. Коэффициент разветвления по входу характеризует нагрузочную способность микросхем. Этот параметр определяет максимальное число электронных входов данной серии, которыми можно нагрузить выходы микросхемы без нарушения её нормального функционирования. Коэффициент объединения по входу – определенное число логических входов, которые имеет микросхема. Помехоустойчивость (шумовой иммунитет) – определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы Работа переключения – характеризует качество разработки и использования микросхемы. Для большинства схем энергия переключения находится в пределах от 0,1 до 500 пикоДж. Надёжность характеризуется тремя показателями: 42 - интенсивностью отказов - наработкой на отказ - вероятность безотказной работы в течении заданного времени Стойкость микросхем к механическим и климатическим воздействиям. Микросхемы способны нормально работать при интенсивных механических нагрузках (вибрация, удары, центробежные сил и неблагоприятные климатические условия) 28. Диодно-транзисторная логика Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), англ. Diode–transistor logic (DTL) — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, 2И) с помощью диодных цепей, а усиления и инверсии сигнала — с помощью транзистора. Наиболее простой логический элемент получается при помощи диодов. В схеме базового логического элемента на диодах при подаче нулевого потенциала на любой из входов (или на оба сразу) через резистор R1 будет протекать ток, и на его сопротивлении возникнет падение напряжения. В результате на выходе схемы базового логического элемента будет присутствовать единичный потенциал только если подать единичный потенциал сразу на оба входа микросхемы. То есть приведенная схема базового логического элемента реализует функцию "2И". Количество входов логического элемента "И" зависит от количества диодов. Если использовать два диода, то получится логический элемент "2И", если три диода — то логический элемент "3И", если четыре диода, то логический элемент "4И", и так далее. В микросхемах средней интеграции выпускается максимальный логический элемент "8И". Приведенная схема логического элемента "И" обладает таким недостатком, как смещение логических уровней на ее выходе. Напряжение нуля и напряжение единицы на выходе схемы выше входных уровней на 0.7 В. Это вызвано падением напряжения на входных 43 диодах. Скомпенсировать это смещение уровней можно диодом, включенном на выходе схемы диодного логического элемента. В этой схеме логического элемента логические уровни на входе и выходе схемы одинаковы. Более того, схема логического элемента, приведенная на рисунке 2, будет нечувствительна не только к входным напряжениям, большим напряжения питания схемы, но и к отрицательным входным напряжениям. Диоды выдерживают напряжение до сотен вольт. Поэтому такая схема до сих пор используется для защиты цифровых устройств от перегрузок по напряжению, возникающих, например, в цепях, выходящих за пределы устройства. Естественно, что для защиты одного входа достаточно одного диода на входе элемента. В результате получается только схема защиты без логической функции "И". 29. Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шоттки Микросхемы этого вида имеют максимальное быстродействие, которое сочетается с уменьшениям потребляемой мощности. Это достигается введением в схему металлополупроводниковых выпрямительных контактов (диодов Шоттки). По принципу действия диоды Шоттки существенно отличаются от обычных биполярных диодов. В диодах Шоттки накопления неосновных носителей не происходит, так как перенос тока в них обусловлен основными носителями из полупроводника в металл. Благодаря этому их время выключения очень мало (до 100 пикосекунд) и не зависит от температуры. Для p-n переходов это время составляет от 1 до 100 наносекунд. Другое достоинство диодов шотки состоит в том, что для отпирания их требуется напряжение 0,2-0,4 В против 0,4 – 0,7 В для диодов с p-n переходом и может регулироваться подбором металла образующего контакт с полупроводником. В обычных схемах ТТЛ открытые транзисторы находятся в состоянии насыщения при котором эмиттерные и коллекторные переходы смещены в прямом направлении и инжектируют. Это создаёт избыточное количество неосновных носителей в базовой и 44 коллекторной областях, которые удлиняют выключение транзисторов. Диоды Шоттки подключают параллельно коллекторному переходу транзистора и придают этому транзистору ряд новых качеств. Транзисторы Шоттки отличаются от обычных тем, что они не входят в глубокое насыщение, следовательно, в их базах в открытом состоянии накапливается мало носителей заряда, и в результате время их рассасывания меньше обычного. Эффект Шоттки снижает напряжение открывания кремниевого p–n перехода от обычных 0,5 ... 0,7 В до 0,2 ... 0,3 В и значительно уменьшает время жизни неосновных носителей в полупроводнике. Эффект Шоттки основан на том, что в p–n переходе или рядом с ним присутствует очень тонкий слой металла, богатый элементами, свободный носителями. Транзистор Шоттки можно представить как обычный транзистор с диодом Шоттки, включенном между его базой и коллектором. При открывании транзистора базовый ток нарастает только до значения, лежащего на границе активного режима и области насыщения, а весь избыточный базовый ток отводится через открытый диод Шоттки через коллектор и эмиттер открытого транзистора на землю. Чем сильнее откроется транзистор, т.е. тем меньше падение напряжения коллектор–эмиттер, тем больший ток отводится через диод Шоттки, минуя базу, на землю. Это приведет к закрыванию транзистора, т.к. уменьшение тока базы закрывает транзистор. Так образуется обратная связь, саморегулирующая режим работы транзистора, удерживая его от глубокого насыщения. 45