17. Общие сведения основ электроники
17.1 Общие положения
Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств.
В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп (с 1904 г.), транзисторов (с 1947 г.), интегральных схем (с 1958 г.), функциональных устройств с использованием объемных эффектов (с 1980 г.), и четыре главные области применения: электросвязь, радиоэлектронная аппаратура широкого применения, вычислительная техника и промышленная электроника.
Современное структурное и схемное проектирование основано на использовании мощных силовых элементов, аналоговых и цифровых микросхем, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна. Однако в любом устройстве можно выделить основные электронные приборы, на которых они построены. Среди них выделим: lэлектронные электровакуумные приборы, (электронные лампы, электроннолучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.); ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны); полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом теле полупроводников.
Основными классами полупроводниковых приборов являются: диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы.
Приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках. В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах различают четыре вида приборовпреобразователей сигналов: электропреобразовательные приборы, у которых электрические сигналы на входах и выходах; электросветовые приборы, у которых под воздействием входных электрических сигналов на выходах формируются световые сигналы; фотоэлектрические приборы, преобразующие входные световые сигналы в электрические; термоэлектрические приборы, у которых тепловые сигналы на входах и электрические на выходах.
В зависимости от формы сигналов , обращающихся в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.
Основными типами аналоговых устройств являются:
автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, делители и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители, в том числе операционные.
К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирование, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др.
Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к цифровым устройствам.
17.2 Электронно-дырочный переход
Электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов:
диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных микросхем (ИМС).
В полупроводниковых приборах используется свойство односторонней проводимости p-n переходов. Электронно-дырочным называют такой p-n переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной (n) и дырочной (р) ). Получают p-n переход с помощью диффузии.
Полупроводник без примеси имеет собственную удельную электропроводность .
У проводников запрещенная зона отсутствует: валентная зона и зона проводимости частично перекрываются, что обеспечивает хорошую электропроводность металлов.
Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне определяют электропроводность четырехвалентного полупроводника.
Электронно-дырочная проводимость возникает в результате разрыва валентных связей, являясь собственной проводимостью, которая обычно невелика. Под воздействием электрического поля, температуры и других внешних факторов электрические свойства полупроводников изменяются в значительно большей степени, чем свойства проводников и диэлектриков.
Для увеличения электропроводности в полупроводники вводят незначительное количество примесей , при этом оказывается, что в зависимости от рода примеси получают как полупроводники с дырочной проводимостью (при добавках трёхвалентной примеси — акцепторов типа индий (In), называемых полупроводниками p типа, так и полупроводники с электронной проводимостью (при добавках пятивалентной примеси — доноров типа мышьяк (As), называемых полупроводниками n типа.
При сплавлении полупроводников различных типов создаётся область объёмного заряда по обе стороны от границы раздела, называемая электронно-дырочным или p-n переходом. При этом возникает так называемый запирающий (барьерный ) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью ç E электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда см. рис.
Если к p n переходу приложить обратное напряжение (рис. б), то создаваемаяим напряженность E электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n области в p область и дырок из p области в n область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n области и электронов из p обасти), их экстракция, образует обратный ток I обр .
Если включить внешний источник энергии Е, как это показано на рис. в, то создаваемая им напряженность электрического поля будет противоположной направлению напряженности объёмного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновнымидля n области носителями заряда), которые и образуют прямой ток I пр.
При напряжении 0,3...0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток I пр определяется только сопротивлением полупроводника. Встречной
|
ной инжекцией электронов в p область можно пренебречь, так как число дырок в рассматриваемом примере, а следовательно, и основных носителей заряда больше в p области, чем свободных электронов в n области.
Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером, а вторую, с меньшей концентрацией, — базой.
17.2 Полупроводниковые приборы и их классификация
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p n переходом, имеющим два вывода: анод А и катод К (рис.)
Из ВАХ диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока. Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5…0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: открыт — закрыт, имеющий ВАХ,
| |
Анализ типовых ВАХ диодов (см. рис. 1.3) показывает, что прямое напряжение Uпр на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока Iпр, а обратный ток Iобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях Uобр. К тому же, германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напряжении Uпр, а кремниевый – только при Uпр = 0,4…0,5 В. Исходя из этих свойств, германиевые диоды применяют как в схемах выпрямления переменного тока, так и для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В), а кремниевые, наиболее распространённые – как в схемах выпрямления, так и в схемах устройств, в которых обратный ток недопустим или должен быть ничтожно мал. К тому же, кремниевые диоды сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125…150°С, тогда как германиевые могут работать только до 70 °С.
В зависимости от назначения и свойств различают выпрямительные диоды, стабилитроны, высокочастотные диоды, импульсные диоды, варикапы, диоды Шоттки, светодиоды, фотодиоды, диодные оптроны и т. п. Выпрямительные диоды используют в схемах преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный ток. К маломощным относят диоды с мощностью рассеивания до 0,3 Вт, к диодам средней мощности от 0,3 до 10 Вт, В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых для увеличения обратного напряжения последовательно соединены от 5 до 50 диодов с допустимым обратным напряжением от 2 до 40 кВ. Стабилитроны или опорные кремниевые диоды предназначены для использования в стабилизаторах напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной её ветви, соответствующий области обратного электрического пробоя p n перехода.
Светодиоды — это излучающие полупроводниковые приборы (индикаторы), предназначенные для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. В основе принципа функционирования светодиодов лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого полностью или частично лежит в видимой области, диапазон длин волн которой составляет 0,45-0,68 мкм. 
Светодиодная структура представляет собой р п переход, в котором при протекании прямого тока в несколько миллиампер в обеих областях перехода происходит рекомбинация инжектированных электронов и дырок, но наиболее эффективное преобразование инжектированных электронов в световую энергию протекает в базовой р области. Условное изображение и яркостная характеристика В(Iпр) светодиода, где В — яркость света в канделах.
18. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И АППАРАТЫ
18.1 Назначение и классификация выпрямителей
Для многих современных электронных устройств необходимо питание от источников постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяют выпрямители, в которых используют электровакуумные, ионные и полупроводниковые приборы, обладающие вентильными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. В данной теме рассматриваются выпрямители на полупроводниковых приборах, которые в настоящее время находят наибольшее применение.
Структурная схема выпрямительного устройства приведена на рис.
Силовой трансформатор Тр предназначен для согласования входного (сетевого) u1и выходного (выпрямленного) Uн напряжений выпрямителя, он электрически отделяет питающую сеть от цепи нагрузки Н. Блок вентилей В выполняет функцию выпрямления переменного тока. Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки Н применяют сглаживающий фильтр СФ. В случае управляемого выпрямителя необходим блок управления БУ, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования уровня выходного напряжения. В неуправляемые выпрямители встраивают блок стабилизации СТ, поддерживающий номинальный уровень выходного напряжения или тока нагрузки при колебаниях напряжения сети.
18.2 Схемы выпрямителей и применение выпрямителей на электроподвижном составе
Классификационные признаки выпрямителей:
неуправляемые (Uн = const) и управляемые (Uн = var); однополупериодные и двухполупериодные;
однофазные и многофазные (чаще трехфазные);малой (до 1 кВт), средней (до 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) мощности; изкого (до 25 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжений.
Основные параметры выпрямителя:
Uн.ср (Iн.ср) — среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки;
Um.ог — амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;
Um.ог/Uн.ср — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;
S — мощность трансформатора (в вольтамперах — В·А или в киловольтамперах — кВ·А);
Iпр.ср — прямой средний ток вентиля;
Uпр.ср — среднее напряжение (меньше 2,5 В) на вентиле при токе Iпр.ср; Uобр.max и Iпр.max — максимальные допустимые обратное напряжение и прямой ток вентиля.