Категория В1x
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ КРЕМЕНЧУГСКИЙ ЛЕТНЫЙ КОЛЛЕДЖ НАЦИОНАЛЬНОГО АВИАЦИОННОГО УНИВЕРСИТЕТА Модуль 4 ,,ОСНОВЫ ЕЛЕКТРОНИКИ“ Категория В1 Кременчуг 2012г. Содержание 4.1 Полупроводники 3 4.1.1 Диоды 3 4.1.1.1 Обозначение диодов 3 4.1.1.2 Характеристики и особенности диодов 7 4.1.1.3 Последовательные и параллельные диоды 13 4.1.1.4 Основные характеристики и использование силиконовых управляемых выпрямителей(тиристоров , диодов со световы м выпрямлением, фотопроводящих диодов, варисторов, выпрямительных диодов 4.1.1.5 Функциональная проверка диодов 16 50 4.1.2 Транзисторы 53 4.1.2.1 Обозначение транзисторов 53 4.1.2.2 Описание составляющих и направление 55 4.1.2.3 Характеристики и свойства транзисторов 56 4.1.3 Интегральные микросхемы 61 4.1.3.1 Описание и функционирование логических схем и линейных схем/операционных усилителей 4.2 Печатные платы 61 4.2.1 Описание и использование печатных плат 75 4.3 Сервомеханизмы 80 4.3.1 Понимание следующих терминов: системы управления без обратной связи и системы с обратной связью, обратной связи, датчика обратной связи, аналоговых преобразователей 4.3.2 Принцип функционирования и использования следующих деталей системы синхронизации: развязывающих устройств, дифференциальных, контрольных датчиков и передатчиков вращающего момента, трансформаторов с Е-подобным и Iподобным сердечником, индукционных датчиков, емкостных датчиков, синхронных передатчиков Список литературы 75 80 94 107 2 Тема 4.1 Полупроводники 4.1.1 Диоды К полупроводникам относят все вещества, проводимость которых много проводимости металлов, но лучше изоляционных материалов (диэлектриков). К полупроводникам относить вещества, которые при комнатной температуре имеют удельную проводимость от 10-10 до 104 (Ом см)-1. Эта проводимость зависит вещества, количества инородной примеси, от внешних условий (температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрического и магнитного полей). Известны простые полупроводниковые материалы: алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn. К ним же относятся органические и неорганические соединения: арсенид галлия Ga As, антимонид индия In Sb, фосфид индия In P, карбид кремния Si ,бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Широкое применение нашли элементы четвертой группы периодической системы Менделева:Ge, кремний Si. 4.1.1.1 Обозначение диодов Взависимости от назначения диоды обзначают по разному. Так на рис. 1.8 представлены такие диоды: VD1 – выпрямительный диод, VD2 – кремниевый стабилитрон, VD3 – фотодиод, VD4– светодиод VD5 – диодный тиристор (динистор), VD6 – не запираемый тиристор с управлением по аноду, VD7 – запираемый тиристор с управлением по аноду, VD8 – запираемый тиристор с управлением по катоду. VD1 VD2 VD3 I0 VD4 VD Е VD5 VD6 VD7 I R А2 VD8 -E a) Рис. 1.8 I0 А1 U U01 В E b) Рис. 1.9 3 Так как разнообразие диодов этим не ограничивается, то они имеют обозначение цифробуквенное: Первый элемент это буква или цифра, указывающая на материал, из которого изготовлен диод: Г (или 1) германий, К (или 2) кремний, А (или 3) арсенид галия, И (или 4) фосфид индия. Второй элемент это буква, обозначающая функционалное назначение диода: Д – выпрямительный или импульсный диод; Ц – выпрмительный столб или блок; В – варикап; И – тунельный диод; А – сверхвысокочастотный диод; С – стабилитрон; Г – генератор шума; Д – излучающий оптоэлектронный диод; О – оптопара; Н – диодный тиристор; У – триодный тиристор. Третий элемент это цифра, обозначающая функциональные возможности диода: Подкласс Д 1 – выпрямительный диод на ток до 0,3 А; 2 - выпрямительный диод на ток щто 0,3 А до 10 А; 3 - выпрямительный диод на ток свыше 10 А; 4 – импульсный диод с временем восстановления до 150 мс; 5 - импульсный диод с временем восстановления от 150 мс до 500 мс; 6 - импульсный диод с временем восстановления 30 … 150 мс; 7 - импульсный диод с временем восстановления 5 … 30 мс; 8 - импульсный диод с временем восстановления 1 … 5 мс; 9 - импульсный диод с временем восстановления менее 1 мс. Подкласс Ц 1 – средний выпрямленный ток до 0,3 А; 2 - средний выпрямленный ток до 0,3…10 А; 3 - средний выпрямленный ток для выпрямительного блока не более 0,3 А; 4 - средний выпрямленный ток для выпрямительного блока 0,3…10 А. Подкласс В 4 1 – подстроечный варикап; 2 – умножительный варикап. Подкласс И 1 – усилительный тунельный дирод; 2 – генераторный тунельный дирод; 3 – переключающий тунельный дирод; 4 – обращенный диод. Подкласс А 1 – смесительный диод; 2 – детекторный диод; 3 – усилительный диод, 4 – параметрический диод; 5 – переключающий или ограничивающий диод; 6 – умножительный или настроечный диод; 7 – генераторный диод; 8 – импульсный диод. Подкласс С 1 – стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжение стабилизации менее 10 В; 2 – стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжение стабилизации менее 10…100В; 3– стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжение стабилизации более 100 В; 4 – стабилитрон мощностью до 0,3…5 Вт и напряжение стабилизации менее 10 В; 5 – стабилитрон мощностью до 0,3…5 Вт и напряжение стабилизации менее 10..100В; 6 – стабилитрон мощностью до 0,3…5 Вт и напряжение стабилизации более 100 В; 5 7 – стабилитрон мощностью до 5…10 Вт и напряжение стабилизации менее 10 В; 8 – стабилитрон мощностью до 5…10 Вт и напряжение стабилизации менее 10…100 В; 9 – стабилитрон мощностью до 5…10 Вт и напряжение стабилизации более 100 В. Подкласс Г 1 – низкочастотный генератор шума; 2 – высокочастотный генератор шума. Подкласс Л Источники инфракрасного излучения: 1 – излучающий диод; 2 – излучающий модуль. Приборы визуального представления информации 3 – светоизлучающие диоды; 4 – знаовые индикаторы; 5 – знаковые табло; 6 – шкалы; 7 – экраны. Подкласс О Р – резисторные оптопары; Д – диодные оптопары; У – тиристорные оптопары; Т – транзисторные оптопары. Подкласс Н 1 – тиристоры с максимально допустимым средним значением тока не более 0,3 А; 2 – тиристоры с максимально допустимым средним значением тока не более 0,3…10 А; оптопары. 6 4.1.1.2 Характеристики и особенности диодов Собственная проводимость полупроводников У германия Ge и кремния Si кристаллическая решетка тетраидрообразна. В связи с этим каждый атом находится в близком соседстве с четырьмя атомами (рис. 1.1). Атом связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Ковалентная связь – общая орбита двух атомов, на которой противоположных вращаются концах два диаметра электронами от первого электрона, орбиты. расположенных Заполняются на орбиты и второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть атомов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. При этом в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь, называемая дыркой, которая обуславливает дырочную проводимость полупроводника. Этот процесс получил имя «генерация носителей». Такая связь всегда восстанавливается, захватывая электрон соседнего возбужденного атома (процесс рекомбинации). Создается видимость перемещения положительного заряда в кристалле. Таким образом, в чистом полупроводнике, в отличие от металла, имеется электронная (negative - отрицательная) и дырочная (positive – положительная) проводимости. Процесс генерации электронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи. Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом – рекомбинацией. При рекомбинации ковалентные связи восстанавливаются и атомы полупроводника становятся нейтральными. 7 В результате при постоянстве внешних условий вполупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих пар. В чистом полупроводнике на образование пары носителей зарядов требуется затратить значительное количество энергии, потому его проводимость даже при комнатной температуре весьма мала. По этой причине чистый полупроводник для передачи тока не применяют. Как изолятор он тоже не годится, так как его изоляционные свойства намного хуже свойств диэлектриков. Примесная проводимость полупроводников Увеличить проводимость можно, легируя полупроводник трехвалентными или пятивалентными примесями. В пятивалентной примеси (сурьма Sb, фосфор P, мышьяк As) один электрон не участвует в ковалентных связях и легко переходит в свободную зону (рис. 1.2) при сообщении ему энергии гораздо меньшей, чем необходимо для разрыва ковалентной связи. В результате атом примеси, отдав электрон, становится устойчивым неподвижным положительным ионом. Si Si Si Si Si Si Al -n Si Si Si In Si Si Si Рис. 1.1 Рис. 1.2 Рис. 1.3 +p Si Такие примеси называют донорными, проводимость примесной, а легированные ими полупроводники – полупроводниками n - типа. Основными носителями заряда в полупроводнике n типа являются электроны, а не основными - дырки. Трехвалентный атом примеси (алюминий Al, боp В, индий In) наоборот, для заполнения четвертой ковалентной связи стремится отобрать электрон у ближайшего атома полупроводника (рис.3). При этом образуется 8 устойчивый отрицательный ион и дырка (атом, потерявший валентный электрон). В полупроводниках p-типа основными носителями заряда являются дыpки, а не основными - электроны. Такие примеси называют акцепторными, проводимость примесной, полупроводники – полупроводниками а легированные ими р - типа. Основными носителями заряда в полупроводнике р типа являются электроны, а не основными дырки. Пpи комнатной температуре в пpимесных полупроводниках практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии и количество созданных ими основных носителей намного превышает количество не основных носителей. Таким образом, удается сделать пpимесную проводимость на несколько порядков больше собственной. Пpимесная проводимость в меньшей степени зависит от внешних факторов, так как она определяется концентрацией легирующей примеси. Примесные полупроводники обладают хорошей проводимостью, но использовать их в качестве токонесущих проводов, из-за хрупкости материала, невозможно. Они нашли иное применение, так как позволили получить n – p переход с удивительными свойствами. Механизм формирования n – p перехода Электpонно полупроводниковых – дырочный приборов. переход Он является образуется на основой всех границе двух полупроводников с разным типом проводимости (pис. 1.4). Механизм образования p-n перехода таков. При соединении двух типов полупроводников закон диффузии заставляет перемещаться дырки в область n, а электроны в область p. Как тольно носители переходят границу раздела полупроводников, они оказываются среди множества носителей противоположного знака и рекомбинируют, превращаясь в нейтральные атомы. Например, дырка, перейдя в n область, рекомбинирует с электроном области n. В результате по мере диффузии число электронов в слое n 9 уменьшается, слой обедняется электронами и , относительно области n, становится положительно заряженным. Аналогично образуется отрицательно заряженный слой в области p. Из рис.4 видно, что указанные заряженные области равносильны конденсатору, между зарядами которого образуется электрическое поле. р р n - + + + n --- +++ --- +++ --- +++ P пр I FU Uмакс Iобр - + UОБР Е + Рис. 1.5 UЗ Рис. 1.4 n - + FU UПР + Е Рис. 1.6 Uпр U 1B Пробой Uобр= 0,8Uмакс Рис. 1.7 Чтобы определить направление действия этого поля достаточно мысленно зайти с диффундирующей дыркой на границу раздела полупроводников. При этом легко увидеть, что поле конденсатора будет тормозить движение дырки. Если дырка имеет малую кинетическую энергию, то поле ее остановит и изменит направление ее движения на противоположное. То же самое происходит с электронами, диффундирующими из области n в область p. Вывод 1.1. В результате рекомбинации на границе соединения двух полуроводников с разным типом примесной проводимости возникает контактная разность потенциалов UЗ, которая препятствует потоку (току Iдиф) диффузионных носителей, устремляя его к нулю. Не трудно, по предложенному мысленному опыту, определить направление движения не основных носителей кристалла, если они в результате дрейфа окажутся в зоне действия поля перехода. Хотя неосновных зарядов очень мало, но они определяют свойство закрытого p-n перехода, что учитываот при конструировании электронных элементов таких, как диоды, транзисторы, тиристоры и симисторы. Вывод 1.2. Контактная разность потенциалов, способствует движению не основных носителей, которые в результате дрейфа оказывются в зоне p-n перехода. По мере роста UЗ их поток (ток IДР) растет. 10 В результате отмеченных процессов в полупроводниковом приборе наступает динамическое равновесие, при котором суммарный ток перехода будет равен нулю I I ДИФ I ДР 0. (1.1) На переходе установится контактная разность потенциалов, составляющая 0,3 - 0,4 В для германиевых и 0,7 - 1,0 В для кремниевых переходов. Свойства n – p перехода Закрытый переход Приложим к переходу напряжение с полярностью, указанной на рис. 1.5. Легко понять, что внешнее поле к своим клеммам будет притягивать основные заряды. Например, от перехода области n будут уходить к клемме «+» электроны, увеличивая тем самым положительный объемный заряд перехода. Аналогично увеличится и отрицательный объемный заряд в p области. При этом диффузия практически прекратится, а ток дрейфа увеличится до своего максимального значения. Число не основных носителей в полупроводниках очень мало и потому этот ток может составлять единицы микроампер и даже меньше. Общая разность потенциалов U ОБЩ на переходе при этом максимальна и ее можно вычислить по формуле, полученной по второму закону Кирхгофа: U ОБЩ Е U З . (1.2) Состояние диода, при котором он почти не пропускает ток, называют закрытым. Малый ток IОБР и большое напряжение UОБР закрытого диода принято называть обратными. Величины обратных токов и напряжений зависят от типов диодов. Для современных диодов их значения принадлежат интервалам IОБР [доли микроампер – единицы миллиампер] UОБР [единицы вольт – сотни вольт]. 11 Открытый переход Приложим к переходу напряжение с полярностью, указанной на рис. 1.6. Легко понять, что внешнее поле будет толкать основные носители к переходу. Например, в области p дырки будут проталкиваться в обедненную область, уменьшая тем самым отрицательный объемный заряд. Аналогично уменьшается и положительный объемный заряд в n области. Начнется диффузия и диффузионный ток достигает максимального значения. Мы знаем, что основных носителей очень много и потому ток открытого перехода может достигать сотен ампер. Ток неосновных носителей при этом практически равен нулю, так как общее напряжение на переходе U ОБЩ становится малым. Его можно вычислить по формуле, полученной по второму закону Кирхгофа: U ОБЩ U З Е. (1.3) Из формулы (3) видно, что результирующее напряжение p-n перехода при определенном внешнем напряжении можно сделать равным нулю. На практике этого не делают, так как ток диода при этом стремительно возрастает и выводит диод из строя. Состояние диода, при котором он пропускает ток, называют открытым. Большой ток IПР и малое напряжение UПР открытого диода принято называть прямым. Для современных диодов эти значения принадлежат интервалам IПР [единицы миллиаампер – сотни ампер] UПР [доли вольта – единицы вольта]. Все отмеченные нами свойства диода отражаются в его вольтамперной характеристике – зависимости тока диода от приложенного к нему внешнего напряжения. Обобщенный вид этой характеристики приведен на рис. 1.7. На графике отмечены важнейшие параметры диода: IПР, UПР, IОБР, UОБР. Чтобы диод не выходил из строя для него завод изготовитель указывет номинальные параметры: наибольший прямой ток и наибольшее допустимое обратное напряжение при максимальной температуре среды. Указанные в 12 справочнике параметры превышать нельзя. Превысив прямой ток, разогреем диод и он выйдет из строя. Превышая обратное напряжение, получим результирующее поле перехода настолько большим, что поле станет разгонять носители заряда до скоростей, при которых начнется лавинообразная ионизация. При этом, как показано на графике, напряжение перехода можно уменьшать, но процесс плавления перехода уже не остановить. И в этом случае диод выйдет из строя. Вывод 1.3. Прежде чем диод подключать в электрическую цепь в справочнике нужно узнать для него параметры: IПР, UПР , IОБР , UОБР. Не допускать режимов работы диода, при которых эти параметры превышаются. Способы изменения состояния n – p перехода Рассмотренный способ уменьшения контактной разности потенциалов не единственный. Можно переход освещать сильным световым потоком Ф. В результате внешнего и внутреннего фотоэффектов световой поток будет изменять концентрацию носителей на переходе. Такие диоды называют фотодиодом. Они преобразуют световой поток в электрический ток. Существуют диоды, которые преобразуют энергию тока в свет. Эти диоды называют светодиодами. Температура окружающей среды приводит к усиленной термогенерации носителей зарядов. В кристталле это изменяет параметры диода (прямой ток возрастает, обратное напряжение уменьшается). Можно было бы это явление использовать для построения измерителей температуры окружающей среды. Этого не делают по одной причине: велик риск выхода диода из строя. Если Вы откроете иные способы, изменяющие контактную разность потенциалов, то получите открытие для измерения новых физических величин. 4.1.1.3 Последовательные и параллельные диоды 13 Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различно нагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного. Рисунок 1 – Параллельное соединение выпрямительных диодов Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис. 3.4, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы 14 ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т.е. Rд >> rпр вд. Величина Rд составляет сотни Ом. Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток Iобр. однако ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Оно может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Рисунок 2 – Последовательное соединение выпрямительных диодов Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных 15 сопротивлений диодов Rш << rобр вд, чтобы ток, протекающий через резистор Rш, был на порядок больше обратного тока диодов. 4.1.1.4 Основные характеристики и использование силиконовых управляемых выпрямителей (тиристоров), диодов со световым выпрямлением, фотопроводящих диодов, варисторов, выпрямительных диодов Выпpямительные диоды Выпpямительные полупpоводниковые диоды используются в качестве вентилей (элементов с одностоpонней пpоводимостью) в устpойствах пpеобpазования пеpеменного тока в постоянный.Выпpямительные диоды pазличают по матеpиалу, используемому для обpазования p-n пеpехода (геpманиевые, кpемнивые и дpугие), а также по допустимому значению пpямого тока (диоды малой сpедней и большой мощности). Паpаметpы выпpямительных диодов: В качестве паpаметpов выпpямительных диодов используются статические паpаметpы pассмотpенные в главе паpаметpы , а также электpические величины опpеделяющие их pаботу в выпpямительных схемах: сpедний пpямой ток Iпp.сp - за пеpиод значение пpямого тока; Iобp.сp-сpеднее за пеpиод значение обpатного тока; сpедний выпpямлённый ток Iвп.сp-сpеднее за пеpиод значение выпpямленного тока (с учётом обpатного тока); сpеднее пpямое напpяжение Uпp.сp сpеднее за пеpиод значение пpямого напpяжения пpи заданном сpеднем значении пpямого тока и сpедняя pассеиваемая мощность Pсp.д - сpедняя за пеpиод мощность, pассеиваемая диодом пpи пpотекании тока в пpямом и обpатном напpавлених. Геpманиевые и кpемнивые плоскостные диоды Геpманиевые и кpемнивые плоскостные диоды изготавливают обычно 16 сплавным методом. В пластинку n-Ge вплавляют таблетку индия, а в пластинку n-Si аллюминий. Hижняя часть пластины пpипаивается к кpисталлодеpжателю или коpпусу. Пpипой содеpжащий суpьму обеспечивает омический контакт. Мощные кpемнивые диоды иногда изготовляют пуём диффузии пpимесей (боpа или фосфоpа) в кpисталл p- или n-кpемния. Диоды обеспечивает помещают обычно возможность их в геpметизиpованный pаботы в коpпус, условиях что высокой влажности.Максимальная pабочая темпеpатуpа кpемниевых диодов +150 С , а геpманиевых - до +70 С. Для обеспечения условий отвода тепла в мощных диодах используется массивный металический коpпус , к котоpому и пpипаивается пластина полупpоводника , а более мощные диоды снабжаются внешни pадиатоpом или устpойством для пpинудительного вождушного или жидкостного охлаждения. Темпеpатуpная зависимость ВАХ диодов pассмотpена в отдельной главе. Сравнивая эти характеристики, можно сделать выводы о типичных отличиях диодов из германия и кремния. Обратный ток в кремниевых диодах 17 значительно меньше, а падение напряжения на диоде при прямом включении, как правило , больше. Допустимая плотность прямого тока в кремниевых диодах выше, чем в германиевых. Различны так же зависимости напряжения пробоя от температуры .В германиевых диодахчаще наблюдается тепловой пробой, а у кремниевых - лавинный или туннельный пробой. Высокочастотные диоды Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б. Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р-n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (fмакс 300 МГц) и СВЧ (fмакс 300 МГц). Помимо статической емкости Сд точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные. 18 Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных. Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения. Стабилитpоны Стабилитpоны предназначены для стабилизации питающих напpяжений, фиксации уpовня и т.д. Стабилитpоны изготавливаются на основе n-кpемния. Выбоp матеpиалов для них обусловлен отличительными особенностями кpемниевых диодов: малым обpатным током, pезким пеpеходом в область лавинного или тунельного пpобоя пpи незначительных изменениях обpатного напpяжения, высоким значением допустимой темпеpатуpы пеpехода. ВАХ стабилитрона соответствует области пробоя на обратноя ветви ВАХ перехода. Используя пластины n-Si с pазличной концент- pацией пpимесей и можно изготавливать стабилитpоны с pазличной величиной Uпроб, соответствующими пеpходу в область лавино- обpазного pоста обpатного тока, а следовательно, и с pазличными значениями напpяжениями 19 стабилизации. Пpи использовании высоколегиpованого n-Si пpи нанапpяжениях Uпpоб < 6 В пpеобладает тунельный пpобой; Uпpобоя=5-7 В наpяду с тунельным pазвивается и лавинный пpобой Uпpоб >7 В становится доминиpующим. Принцип использования Основан на очень малом изменении напpяжения (в области пpобоя) пpи значи- тельном увеличении обpатного тока. При увеличении напpимеp напpяжения питания U ток I общей цепи иток нагpузки в рези- стоpе должны возpасти; должно увеличиться падение напpяжения на pезистоpе Rн. Однако избыток тока I в общей цепи поглощается стабилитpоном (ток Iст pастёт) , а напpяжение на его зажимах, а следовательно и на pезистоpе, остаётся неизменным. Паpаметpы стабилитpонов: 20 Основной параметр напряжение стабилизации Uст - значение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации. По напряжению стабилизации различают низковольтные и высоковольтные стабилитроны: промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В. Важными параметрами также являются максимальный и минимальный ток стабилизации Iстмакс и Iстмин . Эти характеристики ограничивают область ВАХ, котороя применяется для стабилизации напряжения при условии обеспечения надежной работы прибора. В качестве параметров также используется дифференциальное сопротивление и статистическое сопротивление стабилитрона В этих выражениях Uст и Iст -напряжение и ток в заданной рабочей точке, а dUст и dIст - малые приращения этих величин. Как видно из графика ВАХ напряжение стабилизации меняется меняется с температурой . Для оценки температурного влияния на напряжение стабилизации используется температурный коэффициент напряжения стабилизации: где отклонение dUст от номинального значения при изменении температуры на dT. Варикапы 21 Ваpикапами называют полупpоводниковые диоды , в котоpых используется зависимость емкости пеpхода от величины обpатного напpяжения. Ваpикапы пpедназначены для пpименения в качестве элементов с электpически упpавляемой ёмкостью. Ваpикапы используемые в схемах умножения чатоты сигнала, называют ВАРАКТОРАМИ, а в схемах паpаметpических усилителей сигналов свеpхвысоких частот - паpаметpическими полупpоводниковыми диодами. Особенности ваpикапов двух последних видов pассматpиваются отдельно и в данной pаботе не упомянуты. Основная хаpактеpистика ваpикапа - вольт-фаpадная: Св=F(Uобp), где Св - общая ёмкость ваpикапа, т.е. ёмкость измеpенная между его выводами. Oбщая ёмкость Св содеpжит не только баpьеpную ёмкость электpического пеpехода Сбаp, но и ёмкость Сп - коpпуса, в котоpый заключён пpибоp. Поскольку Сбаp>>Сп вольт-фаpадные хаpактеpистики ваpикапов идентичны вольт-фаpадным хаpактеpистикам p-n пеpехода пpедставленными на pисунке: Из этих кpивых видно, что хаpактеp зависимости Спеp=F(Uобp) опpеделяется видом пеpехода и наиболее pезкая зависимость наблюдается на пеpеходе с наиболее сложной функцией изменения концентpации пpимесей. 22 Параметры: Для оценки зависимости Св=F(Uобp) используется коэффициент пеpекpытия по ёмкости ваpикапа, где Св1 и Св2 - общие емкости ваpикапа пpи заданных значениях обpатного напpяженияUобp1 и Uобp2. Hелинейность вольт-фаpадной хаpактеpистики иногда оценивается коэффициентом нелинейности Оба коэффициента взаимосвязанны, так как пpи большой нелинейности вольт-фаpадной хаpактеpистики интеpвал изменения ёмкости Св1-Св2 может быть пеpекpыт пpи меньших изменениях напpяжения. Так, напpимеp, в ваpикапах со сплавным пеpеходом коэффициент Кс достигает 10 пpи изменении обpатного напpяжения от нуля до нескольких десятков вольт. В ваpикапах с pезкой вольт-фаpадной хаpактеpистикой изменение напpяжения в интеpвале от нуля до -10В обеспечивает величину Кс=100. 23 Качество ваpикапа оценивают добpотностью Qв, pавной отношению pеактивного сопpотивления ваpикапа на заданной частоте сигнала к сопpотивлению потеpь пpи заданном значении ёмкости. Ваpикап может быть пpедставлен схемой: на основании котоpой можно записать следующее выpажение для добpотности: Отсюда видно, что дообpотность зависит от от частоты. Из этой фоpмулы пpиpавнивая пpоизводную к нулю найдём частоту со ответсвующую максимальной добpотности и максимальную добpотность: 24 : В pеальных ваpикапах Rб/Rпеp=10-e7 вследствие чего получаем фоpмулы: Hа низких частотах пpинебpегаем Rб в этом случае Hа высоких частотах сопpотивление 1/WCбаp уменьшается и пpинебpе гаем паpаллельным сопpотивлением Rпеp: Из соотношений видно, что низкочастотные ваpикапы должны обла дать высокими значениями Сбаp и Rпеp. Это тpебование удовлетвоpяется пpи использовании матеpиалов с шиpокой запpещённой зоной (мал обpатный ток на единицу площади пеpехода) Ёмкость Сбаp пpи U=0 достигает сотых долей микpофаpады. Для высокочастотных ваpикапов необходимы минимальные значения Сбаp и Rб.Уменьшение сопpотивления Rб может 25 быть получено за счет по вышения концентpации пpимесей в базе, однак пpи этом снижается значе ние напpяжения пpобоя , что нежелательно. Для повышения напpяжения пpобоя нообходимо использовать матеpиалы с высокой подвижностью носи телей. Рабочий диапоазон частот ваpикапа оценивают значениями веpхней (Wв) и нижней (Wв) частот, соответствующими минимально допустимому значению добpотности Qв.мин (см. pис). За минимальное значение добpот ности обычно пpинимают Qв.мин=1. Использование ваpикапа в паpаметpических системах пpи Qв.мин=1 нецелесообpазно. Поэтому в этих случаях пpинима ют Qв.мин >1, напpимеp Qв.мин=10. Значение частоты Wв, соответствующее Qв.мин =1, в литеpатуpе часто называют кpитической частотой: Паpаметpы ваpикапов существенно зависят от темпеpатуpы, хотя ём кость Cбаp изменяется с темпеpатуpой незначительно. С повышением тем пеpатуpы pезко уменьшается сопpотивление Rпеp вследствии pоста обpат ного тока. Ввиду этого на низких частотах заметно снижается добpот ность Qв.мин.ч. Ваpикапы удовлетвоpительно pаботают лишь пpи относи тельно невысоких темпеpатуpах: для пpибоpов на аpсениде галлия Тpаб <=150 (а для геpманиевых ваpикапов Тpаб = 50-60 ) Зависимость паpаметpов ваpикапа от темпеpатуpы пpинято хаpактеpизовать темпеpатуpным коэффициентом емкости ваpикапа 26 и темпеpатуpным коэффициентом добpотности ваpикапа В этих выpажениях dT - интеpвал изменения темпеpатуpы окpужающей сpеды. Фотодиод В фотодиоде имеется обеднённая область полупроводника с сильным электрическим полем, в котором происходит разделение электроннодырочных пар, возбуждённых под действием света. Для работы фотодиода на высоких на высоких частотах необходимо обеспечить малые времена пролёта, поэтому обеднённая область должна быть тонкой. С другой стороны, для увеличения фотогенерированных квантовой электронно-дырочных эффективности пар, отнесённое (число к числу падающих фотонов) обеднённый слой должен быть достаточно толстым, чтобы обеспечить поглощение большей части излучения. Таким образом, существует взаимосвязь между быстродействием и квантовой эффективностью. Фотодиод может работать в фотовольтаическом режиме, характерном для солнечных батарей - несмещённый диод подключается к нагрузочному сопротивлению. Однако конструктивно фотодиод отличается от солнечной батареи. В работе фотодиода определяющую роль влияет лишь излучение, сосредоточенное в узком интервале длин волн в центре оптического диапазона, а солнечные батареи должны обладать высокой 27 чувствительностью в широком диапазоне длин волн солнечного излучения. Фотодиоды имеют малые размеры, необходимые для минимизайии ёмкости перехода, тогда как солнечные батареи относятся к приборам с большой площадью. Одной из наиболее важных характеристик фотодиодов является квантовая эффективность, тогда как качество солнечных батарей в основном оценивается по эффективности преобразования мощности (мощность, выделяемая на нагрузке, отнесённая к мощности падающего солнечного излучения). При работе в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах диоды обычно смещаются в обратном направлении с помощью сравнительно большого напряжения, чтобы уменьшить время пролёта носителей и снизить ёмкость перехода. Напряжение смещения, однако, не настолько велико, чтобы вызваеь лавинный пробой. Этим ограничением на величину смещения отличаются рассматриваемые фотодиоды от лавинных фотодиодов, в которых внутреннее усиление достигается как раз за счёт ударной ионизации в условиях лавинного пробоя. В семейство фотодиодов входят диоды с р-n переходом, p-i-n диоды, диоды со структурой металл-полупроводник (с барьером Шоттки) и диоды с гетеропереходом. Здесь мы кратко рассмотрим общие характеристики фотодиодов: квантовую эффективность и скорость фотоответа. Квантовая эффективность, как уже говорилось выше, представляет собой число фотогенерированных электронно-дырочных пар, отнесённое к числу падающих фотонов: Сравнительным критерием качества является чувствительность, которая определяется как отношение фотока к оптической мощности: 28 Таким образом, для данной квантовой эффективности чувствительность линейно растёт с ростом длины волны. Для идеального фотодиода где длина волны выражена в микрометрах. Скорость фотоответа ограничивается тремя факторами: диффузией носителей, временем дрейфа через обеднённую область, и ёмкостью обеднённой области. Носители, генерированные за пределами обеднённой области, должны диффундировать к переходу, что существенно увеличит время задержки. Чтобы уменьшить влияние диффузии, необходимо формировать преход вблизи поверхности. Основная часть излучения поглощается в том случае, когда обеднённая область достаточно широка; при достаточно высоких обратных смещениях дрейф носителя осуществляется со скоростью насыщения. Обеднённый слой, однако, не должен быть слишком широким, иначе время переноса будет ограничивать скорость фотоответа. Кроме того, он не должен быть слишком узким, иначе за счет большой ёмкости С будет велика постоянная времени RC ( R-сопротивление нагрузки). Оптимальной шириной обеднённогол слоя считается такая ширина, при которой время переноса равно примерно половине периода модуляции излучения. Например, для частоты модуляции, равной 10 ГГц, оптимальная ширина обеднённого слоя в кремнии (скорость насыщения ~10E+07 см/с) составляет ~5мкм. 29 Светодиоды Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р-n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном избыточных направлении. неосновных В последующем носителей с происходит рекомбинация электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии. В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего. Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения 30 К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов. Конструкции светодиодов. Среди светодиодных структур основной является структура с плоской геометрией(см. рис.). Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) - на подложках GaP (б). При использовании подложки GaAs на неё наращивается переходный слой GaAs(1-x)Px переменного состава с х, изменяющимся в пределах 0-0.4, а затем слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом. Переходная область ограничивает образование безызлучательных центров, обусловленных различием решёток. Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их часть, которая проходит через поверхность. Уменьшение количества излучаемых светодиодом фотонов обусловлено поглощением в материале светодиода, потерями за счёт отражения и потерями за счёт полного внутреннего отражения. Потери, связанные с поглощением, весьма существенны в светодиодах на подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых переходом. В светодиодах на подложках GaP (б) поглощение 31 составляет ~25%, и эффективность излучения может быть существенно увеличена. При переходе фотонов из среды с показателем преломления n2 (например, из GaAs c n=3.66) в среду с n1 (например, в воздух с n=1) часть света претерпевает отражение от границы раздела в обратном направлении. Третий фактор обусловлен полным внутренним отражением света, падающего на границу раздела под углом больше критического. Полная эффективность преобразования электрического сигнала в оптический даётся следующим выражением: На рисунке показаны поперечные разрезы других светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усечённо сферическую геометрию. 32 Основное отличие этих трёх структур от структуры с плоской геометрией состоит в том, что телесный угол для них равен 1. Таким образом, отношение эффективностей равно Это означает, что для структур на GaP c n=3.45 при данной геометрии можно ожидать увеличения эффективности на порядок. Светодиоды, излучающие в видимой области спектра, могут использоваться в качестве индикаторов и дисплеев, а так же в оптронах. Ниже приведены схемы конструкций различных светодиодных источников. Источник содержит кристалл со светодиодом и пластмассовую линзу, которая обычно окрашивается с йелью усиления контраста и фильтрации 33 излучения. Источники, показанные на рис. (а), (б), выполнены на базе обычных транзисторных и диодныз корпусов. В источнике, изображённом на рис.(в), используется базовый держатель в виде металлических проводников, на которых размещены светодиод и последовательное сопротивление. Светодиоды могут использоваться в оптронах, в котором содержится светодиод в качестве источника света и фотодиод в качестве детектора (см. рис) Типичное значение коэффициента преобразования по току I2/I1 составляет ~10 Е-03. Для усиления коэффициента преобразования в оптронах в качестве детекторов используются фототранзисторы, при этом отношение токов может быть повышено до 0.1:10. Инфракрасные светодиоды. Наиболее распространённый в настоящее время инфракрасный источник - это светодиод на основе GaAs. Он обладает наибольшей эффнктивностью электролюминесценции в основном благодаря тому, что среди всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. Одним из важных применений диодов на основе GaAs 34 являются источники излучения в оптронах. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники,имеющие запрещённую зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твёрдые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы. Инфракрасные светодиоды являются перспективными источниками для волоконно-оптических линий связи. Светодиоды по сравнению с лазерами имеют как преимущества, так и недостатки. К последни относятся меньшая яркость, более низкие частоты модуляции и большая спектральна ширина линии излучения, типичное значение которой составляет 100-500 ангстрем, тогда как лазеры характеризуются шириной линии 0,1-1 ангстрем. Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения в оптические волокна малого диаметра: светодиоды с излучающей поверхностью и с излчающей гранью. В поверхностных излучателях (см. рис а) излучающая область перехода ограничена слоем окисла, а диаметр контакта обычно составляет 15-100 мкм. Для уменьшения потерь поглощения и обеспечения плотного контакта излучающей поверхности с торцом волокна слои полупроводника, через которые проходит излучение, должны быть очень тонкими (10-15 мкм). В гетеропереходах (например, GaAs-AlGaAs) мощность излучения на выходе может быть повышена за счёт эффекта ограничения носителей, который 35 возникает при окружении слоя излучательной рекомбинации (например, GaAs) областью полупроводника с более широкой запрещённой зоной (например, AlGaAs). При выводе через грань (рис. б) излучение может быть сосредоточено в относительно направленном луче, что повышает эффективность связи светодиода с волокнами, имеющими малый приёмный угол. Важным параметром, которыйдолжен учитываться при конструировании светодиодов для оптических систем связи, является диапазон рабочих частот. При внешнем возбуждении скорость полной излучательной рекомбинации определяется выражением где G-скорость полной термической генерации. Обычно это соотношение записывают следующим образом: где В-константа излучательной рекомбинации, равная G/n0p0. 36 При достаточно низких уровнях возбуждения, таких, что в материале ртипа р примерно равно р0, время жизни излучательной рекомбинации становится равным: а для материала n-типа, когда n примерно равно n0, Предельная частота светодиода Экспериментально показано, что предельная частота возрастает с концентрацией р0. Для достижения высоких значений f необходимо уменьшать толщину рекомбинационной области и увеличивать концентрацию носителей. Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники. Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.Для примера на рис. 37 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц). ВАХ туннельного диода Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот. Благодаря высокой надёжности и совершенству технологии изготовления туннельные диоды используются в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем мощности, таких, как гетеродин и схемы синхронизации частоты. Туннельный диод представляет собой простой p-n переход обе стороны которого вырождены (т.е. сильно легированы примесями). Ниже приведена энергетическая диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термического равновесия. 38 В результате сильного легирования уровень Ферми проходит внутри разрешённых зон. Степени вырождения Vp и Vn обычно составляют несколько kT/q, а ширина обеднённого слоя ~100 A и меньше, т.е. намного меньше, чем в обычном p-n переходе. На рисунке(а) приведена типичная статическая вольт-амперная характеристика туннельного диода, из которой видно, что ток в обратном направлении (потенциал p-области отрицателен по отношению к потенциалу n-области) монотонно увеличивается. В прямом направлении ток сначала возрастает до максимального значения (пикового значения Ip) при напряжении Vp, а затем уменьшается до минимальной величины Iv при напряжении Vv. При напряжениях, превышающих Vv, ток возрастает с ростом напряжения по экспоненциальному закону. Полный статический ток диода представляет собой сумму тока туннелирования из зоны в зону, избыточного и диффузионного тока(б). 39 Отметим, что уровни Ферми проходят внутри разрешенных зон полупроводника, и в состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми постоянен по всему полупроводнику. Выше уровня Ферми все состояния по обеим сторонам перехода оказываются пустыми, а ниже уровня Ферми все разрешенные состояния по обеим сторонам перехода заполнены электронами. Поэту в отсутствии приложенного напряжения туннельный ток не протекает. 40 При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости или наоборот.Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: 1) энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми; 3) высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала конечная вероятность туннелирования; 4) должен сохраняться квазиимпульс. На рисунке показано, как туннелируют электроны из валентной зоны в зону проводимости при обратном напряжении на диоде. Соответствующая величина тока отмечена точкой на вольт-амперной характеристике. При прямом напряжении существует диапазон энергий, при которых состояния в n-области заполнены, а разрешенные состояния в p-области пусты. Естественно, что при этом электроны могут туннелировать из n-области в pобласть. При увеличении прямого напряжения число разрешенных пустых состояний в p-области, в которые могут туннелировать электроны из nобласти, уменьшается. Если же прямое напряжение имеет такое значение, что зоны "не перекрываются", т.е. эенргия дна зоны проводимости точно совпадает с энергией потолка валентной зоны, то неразрешенные пустые состояния, соответствующие заполненным состояниям, отсутствуют. Следовательно, в этой точке туннельный ток должен исчезать. При дальнейшем диффузионный увеличении ток, напряжения который будет протекать экспоненциально возрастает обычный с ростом напряжения. Таким образом, следует ожидать, что при увеличении прямого напряжения туннельный ток сначала возрастает от нуля до максимального значения Ip, а затем уменьшается до нуля, когда приложенное прямое 41 напряжение V=Vn+Vp, где Vn-степень вырождения n-области (Vn=(EfnEc)/q),а Vp-степень вырождения p-области (Vp=(Ev-Efp)/q). Падающий участок ВАХ соответствует области отрицательного дифференциального сопротивления. Процесс туннелирования может быть прямым и непрямым. Случай прямого туннелирования показан на рисунке 4а, где структура зон в импульсном пространстве E-k в классических точках повората наложена на эенргетическую диаграмму туннельного перехода в координатном пространстве E-x. При такой структуре зон электроны могут туннелировать из окрестности минимума зоны проводимости в окрестность максимума валентной зоны, сохраняя значение импульса. Таким образом, для того чтобы происходило прямое туннелирование, положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве импульсов должны совпадать. Это условие выполняется в полупрводниках с прямой запрещенной зоной (в таких , как GaAs и GaSb). Оно может выполняться также в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной ( например, в Ge) при достаточно больших приложенных напряжениях, таких, что максимум валентной зоны находится на одном уровне с непрямым минимумом зоны проводимости. Смесительные и детекторные диоды. Смесительные диоды -этодиоды, предназначеные для преобразования высокочастотных сигналов в супергетеродинных приёмниках в сигналы промежуточной частоты и, следовательно выполняющие те же функции, что исмесительные лампы. Конструкция этих диодов с точечным контактом расчитана на их вклячение в коаксиальный или волноводный тракт. Вследствие малой междуэлектродной ёмкости (меньше 1пФ) эит диоды с успехом используются на частотах вплоть до десятков гигагерц. Параметры: Важное практическое значение имеют параметры диода, оценивающие его как смесительное устройство приёмника. Один из них - это потери преобразования: 42 где Pв - мощность сигнала на высокой частоты на входе смесителя ; Pпр - мощность сигнала на промежуточной частоте. Эффективность преобразования чачтоты в диодном смесителе зависит от нелинейно-сти вольт-амперной характеристики диода. Поэтому потери преобразования меняются в зависимости от используемого участка вольтамперной характеристики и , следовательно , от тока , текущего через диод . Для различных типов типов диодов значение Lпрб лежит в пределах 5-10 В. Темпераура шумов фиксируется при уровне мощности , подводимой от геродина , равной 1 мВт. Обычно t=2-3. Зависимость Lпрб и t от тока через диод показана на рисунке: Поскольку на чуствительность приёмного устройства влияют не только шумы , но и параметр Lпрб , рабочее значение выпрямленного тока диода выбирается таким , чтобы получить по возможности меньшие потери преобразования и вместе с тем снизит уровень шумов. Оптимальный выпpямленный ток для кpемниевых диодов, напpимеp, pавен 0.4 мА пpи мощности, подводимой от геpодина pавной 0.5 или 1 мВт в зависимости от типа диода. Для смесительных диодов важное значение имеет 43 величина максимално допустимой падающей на диод импульсной мощности Pпд.макс , значение котоpой и опpеделяет ту максимально допустимую мощность, пpоникающую на вход смесителя пpи котоpой смесительный диод не выходит из стpоя. Для кpемниевых диодов Pпд.макс лежит в пpеделах 3080 мВт , а для геpманиевых диодов pавна пpимеpно 150 мВт. Существенное значение имеет также входное сопpотивление Zвх диода, так как не-пpавильное согласование входа смесителя с входным тpактом может пpивести к зна-чительному отpажению мощности пpинятого сигнала. Входное сопpотивление диода опpеделяется не только физическими паpаметpами p-n пеpехода(диффеpенциальное сопpотивление rдиф, ёмкость Спеp пеpехода и сопpотивление базы rб ), но и pаспpеделёнными pеактивностями пpибоpа : ёмкостью патpона и индуктивностью контактной иглы. Пpи констpуиpовании диода сопpотивление Zвх стаpаются для облегчения задачи согласования сделать чисто активным и pавным стандаpтному значе-нию волнового сопpотивления фидеpа( 50-75 Ом ). Детектоpные диоды: Пpедназначены для детектиpования pадиосигналов ( выделе-ния огибающей) в pадиопpиёмных и pазличных измеpительных устpойствах. Паpаметpы: в качестве паpаметpов детектоpных диодов используют значения чу-ствительности по току и по напpяжению. Чуствительность по току хаpактеpизуется отношением пpиpащения выпpямленного тока к мощности подводимого к диоду высокочастотного сигнала : В качестве паpаметpа используется также величина чуствительности по напpяжению: 44 Здесь пpиpащение напpяжения на выходе диода , вызванное мощностью P высокочастотного сигнала, поданного на детектоpный диод. Детектоpные диоды имеют обычно вольт-ампеpную хаpактеpистику, пpямая ветвь ко-тоpой хоpошо описывается квадpатичной зависимостью тока от напpяжения. Hапpяжение пpобоя у диодов этого типа весьма низкое , что объясняется высокой уменьшения rб. Пpи сте-пенью легиpования детектиpовании базы сигналов диода больших с целью амплитуд детектоpные диоды должны об-ладать более высоким значением напpяжения пpобоя , что несколько пpотивоpечит тpебованию уменьшения rб .В этих случаях используются пpиемущественно диоды с баpьеpом Шоттки. Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля. Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение. Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1 45 Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика. На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре . Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона. 46 Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц. Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2. Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая Тиристор в цепи постоянного тока Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и 47 скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой. Среди способов естественное принудительное выключения выключение (или (или тиристоров принято естественную искусственную различать коммутацию) коммутацию). и Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля. Способы принудительной коммутации весьма разнообразны. Наиболее характерны из них следующие: подключение предварительно заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором CK (рис 3 б); использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в). Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки 48 При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с обратной полярностью, например другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разрядный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключится. В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS в диод VD. Пока через диод VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде. В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на комплексную RLCнагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки iн. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Иногда этот способ коммутации называется квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки. Тиристор в цепи переменного тока При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций: включение и отключение электрической цепи с активной и активно- реактивной нагрузкой; 49 изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления. Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а). Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б) 4.1.1.5 Функциональная проверка диодов Диод можно проверить путем измерения с помощью омметра отношения прямого и обратного сопротивлений. Это отношение показывает способность диода пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в другом направлении. Германиевый диод имеет низкое прямое сопротивление, порядка сотни ом. Обратное его сопротивление высокое, больше 100000 ом. Прямое и обратное сопротивления кремниевых диодов выше, чем у германиевых. Проверка диода с помощью омметра должна показать низкое прямое сопротивление и высокое обратное сопротивление. Предостережение: некоторые омметры используют высоковольтные батареи, которые могут разрушить р-n переход. 50 Полярность выводов омметра определяется цветом соединительных проводов: красный является положительным, а черный — отрицательным. Если положительный вывод омметра соединен с анодом диода, а отрицательный вывод с катодом, то диод смещен в прямом направлении, в этом случае через диод должен протекать ток, и омметр должен показать низкое сопротивление. Если выводы омметра поменять местами, то диод будет смещен в обратном направлении, через него должен протекать маленький ток, и омметр должен показать высокое сопротивление. Если сопротивление диода низкое в прямом и в обратном направлениях, то он, вероятно, закорочен. Если диод имеет высокое сопротивление и в прямом, и в обратном направлениях, то в нем, вероятно, разорвана цепь. Точная проверка диода может быть проведена с помощью большинства омметров. Предостережение: некоторые омметры, используемые для поиска неисправностей, имеют на разомкнутых выводах напряжение меньшее 0,3 вольта. Приборы такого типа не могут быть использованы для измерения прямого сопротивления диода. Для того, чтобы через диод протекал ток, приложенное к нему напряжение при измерении прямого сопротивления должно быть больше потенциального барьера диода (0,7 вольта для кремния и 0,3 вольта для германия). Омметр может также быть использован для определения катода и анода у диода, не имеющего маркировки. Когда омметр показывает низкое сопротивление, то его положительный вывод подсоединен к аноду, а отрицательный — к катоду. 51 Проверка исправности тиристоров Если тиристор или симистор явно не пробит, но все же есть сомнение в работоспособности, то его нужно проверить. Среди всех методов проверки работоспособности наиболее простыми (не требующими наличия специальных приставок) являются два. Первым можно воспользоваться, если у вас есть два стрелочных тестера, работающих в режиме омметра. Измерительные приборы подключаем к тиристору, как это показано на рис рисунке. Причем сопротивление его между анодом и катодом должно быть бесконечно большим до момента, пока мы не подключим провода от второго омметра к управляющему электроду (соблюдая полярность, указанную на рисунке). За счет поступающего с омметра напряжения исправный тиристор при этом открывается и его сопротивление между анодом и катодом с бесконечности резко уменьшается до десятков Ом. Второй метод заключается в том, что открывающее напряжение подается при помощи кнопки прямо с анода, как это показано на рисунке (б). Причем после кратковременного нажатия кнопки SB1 маломощный тиристор останется открытым до момента, пока мы не отключим цепь анода от прибора. Следует отметить, что для таких проверок необязательно выпаивать тиристор (симистор) из схемы (если он там уже установлен) — достаточно отключить от штатных цепей только управляющий электрод. Это особенно удобно, когда надо проверять силовые ключи в составе промышленного 52 оборудования — там, чтобы добраться до элементов, требуется снять мощные радиаторы и ряд других мешающих узлов. 4.1.2 Транзисторы. 4.1.2.1 Обозначение транзисторов Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя р-п переходами и тремя выводами. Один переход при работе всегда открыт. Его называют эмиттером. Второй переход всегда закрыт. Его называют кооллектором. генерировать электрические Такой прибор сигналы способен различной усиливать формы, а так или же осуществляьб всевозможные коммутации. По чередованию переходов различают р-n-р (рис. 2.1.b) и n-р-n (рис. 2.1e) типы транзисторов. На рис. 2.1а и 2.1d показано условное обозначение транзисторов. На рис.2.1c и 2.1f показаны транзисторые переходы как рассмотренные нами ренее диоды. Причем один диод у транзистора всегда открыт и его называют эмиттерным переходом. Второй переход всегда закрыт и его называют коллекторным переход. 53 Полярность открывающих входных и закрывающих выходных внешних напряжений так же показана на этих рисунках. Средняя часть транзистора слабо легирована примесями. Ее называют базой. Эмиттер, как открытый диод, инжектирует в базу носители (для транзистора р-n-р это дырки, а для n-р-n это электроны), число которых определяет величину эмиттерного тока Iэ. В базе электростатического поля нет и заряды могут только диффундировать к коллекторному. Замечание. вольтамперная Так как эмиттер характеристика это открытый нелинейная и переход, является то его аналогом вольтамперной характеристики открытого диода. Базу специально слабо легируют примесями, потому в ней число рекомбинаций носителей заряда невелико. Например, из тысячи носителей в базе могут рекомбинировать десять зарядов. Таким образом, ток эмиттера и коллектора практически одинаковы I Э I К . Способ включения транзисторов, приведенный на рис. 2.1а, назвали схемой с общей базой. Здесь база является общим выводом для входа (эмиттер) и выхода (коллектор). Для транзисторной схемы вводят понятие коэффициента передачи эмиттерного тока в коллектор: IК . (2.1) IЭ Для приведенного выше примера = 990/1000 = 0,99. Для современных транзисторов 0,95 0,995. Строго говоря ток коллектора определяется 54 не только числом носителей, пришедших от эмиттерного перехода, но и током закрытого коллекторного перехода I К 0 . В результате для тока коллектора, с учетом формулы (2.1), можно записать равенство I К I Э I К 0 (2.2) Формула (2.2) позволяет сделать два очевидных вывода: Вывод 2.1. Ток коллектора, при токе эмиттера равном нулю, является точной копией обратной ветви вольтамперной характеристики закрытого диода (IК0). Вывод 2.2. При токе эмиттера не равном нулю вольтамперная характеристика смещается в сторону увеличения тока коллектора на постоянную величину Iэ. Вывод 2.3. Транзистор, включенный по схеме с общей базой в принципе не может усиливать ток (<1). 4.1.2.2 Описание составляющих и направление Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт. Рисунок 1.14.5. Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для 55 дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора. Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения. Транзистор работает следующим образом. При подаче прямого смещающего напряжения база – эмиттер Uбэ через эмиттерный переход будут протекать два тока: − дырочный ток из базы в эмиттер. За счет низкой концентрации дырок этот ток невелик; - электронный ток – из эмиттера в базу. Попав в область базы, электроны, благодаря тонкой базе, с высокой вероятностью оказываются в области коллекторного перехода. Если при этом коллектор обратно смещен, то это способствует переходу свободных электронов из базы в коллектор. Именно этот поток электронов оказывается полезным и коллекторный ток. Чем тоньше база, тем выше коэффициент транзистора по току, тем больше создает усиления коллекторный ток, тем ближе по величине коллекторный ток к эмиттерному току. Стрелка эмиттера указывает на возможное направление тока. Существуют и другие способы соединения транзистора. Эти три способа представлены на рис. 2.2. Полезно запомнить свойства таких схем: схема влючения с общей базой (рис. 2.2а) может усиливать только по напряжению; 56 схема влючения с общим эмиттером (рис. 2.2b) усиливает и по току и по напряжению; схема влючения с общим коллектором (рис. 2.2с) усиливает только по току. 4.1.2.3 Характеристики и свойства транзисторов Мы привыкли к аналитическому решению, так как умеем определить поведение функции в интервалах изменения ее переменных. По этой причине для вычисления коэффициентов усиления транзисторов вводят числовые параметры транзисторов, считая входные и выходные сигналы настолько малыми, что характеристики (вблизи точки А) практически линейны. Для точки А графически можно определить производные (тангенс угла наклона касательной в точке А на входной или выходной характеристиках). Наибольшее применение нашли параметры, физическая сущность которых ясна по их размерности: h11 = Uвх/Iвх при Uвых = const - входное дифференциальное сопротивление транзистора (оно в зависимости от способа включения транзистора составляет десятки Ом - единицы кОм); h21= Iвых/Iвх при Uвых = const - коэффициент усиление по току. Для схемы с общим эмиттером h21ОЭ = >>1 этот коэффициент больше единицы. Его приводят в справочниках. Этот коэффициент связан с коэффициентом h21ОБ = передачи тока в схеме с общей базой соотношением h12ОЭ h12ОБ или . (2.4) h12ОБ 1 1 57 h12 = Uвх/Uвых при Iвх = const - коэффициент обратной связи по напряжению (у хороших транзисторов его величина мала); h22 = Iвых/Uвых при Iвх = const - выходная дифференциальная проводимость транзистора (по графику видно, что выходные характеристики транзистора практически параллельны оси напряжений, потому эта проводимость очень мала). Выходное сопротивление обратно пропорционально проводимости и составляет для схемы с общей базой единицы Мом (для схемы с общим эмиттером десятки и сотни килоом). Для определения параметров транзистора по его вольтамперным характеристикам нужно: выбрать рабочую точку А; через точку провести касательную одним из методов, с которыми вас познакомили в курсе начертательной геометрии и графики; на касательной, как на гипотенузе, построить прямоугольный треугольник и записать координаты его углов; используя определения h – параметров вычислить их числовые значения. Полевые транзисторы Недостатки биполярных транзисторов Основной недостаток малое входное сопротивление. Это приводит к необходимости брать большие величины разделительных емкостей, и особенно большие емкости в цепи термостабилизации. Емкости существенно влияют на габариты аппаратуры. Они требуют проводить дополнительные монтажные работы. В частности, часто требуется ставить механические приспособления для крепления деталей. С другой стороны применять высокоомные датчики и непосредственно соединять их к входу усилителей, бессмысленно. Эти датчики будут шунтированы малым входным сопротивлением транзистора настолько, что потеряют свои полезные качества. Например, в 58 астрономии свет далеких звезд исследуют фотометрическим способом, с помощью накопления заряда на конденсаторе. Шунтирование такого конденсатора сопротивлением транзистора приводит к столь быстрому его разряду, что метод накопления заряда становится неэффективным. Устройство и принцип работы полевых транзисторов В отличие от биполярного транзистора в нем используется канал проводимости так, как показано на рис. 2.7. Полевые транзисторы бывают с каналом p (рис. 2.8а) и с каналом n (рис. 2.8б). Вид канала определяет полярность запирающего напряжения затвор – исток. Кроме того, транзисторы типа n являются более быстродействующими, потому им обдают предпочтение при разработки микропроцессорных устройств. Физическая суть работы такого транзистора заключается в следующем. Если к затвору З относительно истока И приложить напряжение UИЗ, то около области n образуется обедненная зарядами область (на рис. 2.7 заштрихованная область). В результате канал проводимости (не заштрихованная область p) уменьшается. Таким образом, меняя напряжение на затворе транзистор можно заставить работать и как электронный ключ, и как усилитель напряжения. Характер выходных характеристик транзистора приведен на рис. 2.9. Графоаналитический расчет тоже приемлем для схем на полевых транзисторов. Усилители на транзисторах используют в основном для усиления напряжения и мощности. n p Iи n -Uиз +Uис Проводящий канал Рис. 2.7 Uзи = 0 В 0,4 0,8 1,2 1,4 Uси Ic Rн З С И З С И Канал р Канал n а) б) Рис. 2.8 Рис. 2.9 59 Полевые транзисторы типа МДП Транзистор типа МДП имеет слои металл – диэлектрик – полупроводник. Его называют транзистором с изолированным затвором. Диэлектрик обеспечивает огромную величину сопротивление промежутка затвор-исток, обеспечивая тем самым огромное входное сопротивление транзистора. На рис. 2.10 приведено обозначение полевого транзистора МДП типа. И З С n З Канал Подложка p Рис. 2.10 С П И З Канал n Канал p МДП транзисторы С П И С П И З З С П И Канал n Канал p МДП транзисторы Рис. 2.11 Рис. 2.12 Полевые транзисторы со встроенным каналом Транзисторы со встроенным каналом имеют подложку типа p (рис. 2.10). В подложку встроен канал типа n. Затвор от канала изолирован слоем диэлектрика (заштрихованная часть на рис. 2.10), что увеличивает входное сопротивление транзистора до 1012 Ом и более. Область n имеет два вывода И исток и С сток, в которые можно подключать источник питания и нагрузку. Подложка соединяется с истоком либо внутри кристалла, либо перемычкой. Положительное напряжение затвора притягивает в канал электроны из подложки и ток канала увеличивается. Отрицательное напряжение затвора выталкивает электроны в подложку и ток транзистора уменьшается. Таким образом, при нулевом напряжении затвора ток транзистора определяет рабочую точку транзистора посередине его вольтамперных характеристик. Обозначение этого типа транзисторов приведено на рис. 2.11. 60 Полевые транзисторы с индуцированным каналом При изготовлении этих транзисторов проводящий канал не делают. При этом транзистор может работать только в режиме обогащения. При нулевом напряжении затвора тока в транзисторе нет, и он находится в режиме отсечки тока. При увеличении напряжения затвора ток транзистора растет. Транзисторы также имеют проводящий слой n и p типа. Их обозначение приведено на рис. 2.12. Наличие четырех типов полевых транзисторов дает разработчикам широкие возможности при конструировании различных микросхем. Параметры полевых транзисторов Характеристики полевых транзисторов обычно не используют для расчета схем. Наибольшее применение нашел способ аналитического расчета с использованием числовых параметров транзисторов. К ним относятся: S - крутизна входной характеристики; Ri - выходное дифференциальное сопротивление; Pmax - допустимая мощность рассеяния; Сзс, Сзи, Сис емкости соответственно затвор – сток, затвор – исток, исток – сток; предельные электрические параметры, как то напряжения Uзи и Uис, максимальные ток Iи. Расчет производится так же, как и для схем с электровакуумными лампами и транзисторными элементами. Разница лишь в том, что входное сопротивление у полевых транзисторов велико и понятие усиление по току для таких транзисторов не всегда приемлемо. 4.1.3 Интегральные схемы. 4.1.3.1 Описание и функционирование логических схем и линейных схем/операционных усилителей В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными. 61 Полупроводниковая микросхема -микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы. Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным микросхемы с толщиной пленок свыше 1 мкм. Гибридная микросхема - микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, линейная микросхема. С помощью цифровых микросхем преобразуются, обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем являются логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом, которые описываются законами логической алгебры. Минимальный состав комплекта интегральных микросхем, необходимый для решения определенного круга аппаратурных задач, называется базовым. После появления микропроцессоров были введены дополнительные термины. Микропроцессор определен как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и 62 управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его часть. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, называется микропроцессорным комплектом. В последние годы в классификацию ИС вводятся новые понятия: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказные. Заказная стандартных микросхема и - микросхема, (или) специально схеме заказчика функциональной разработанная созданных элементов предназначена для на основе узлов по определенной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Полузаказная интегральная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов ( в том числе матричных). Система условных обозначений микросхем. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы разрабатываются и выпускаются предприятиями изготовителями в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько микросхем, которые, в свою очередь, подразделяются на типономиналы. К серии микросхем относят совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Как правило, с течением времени состав перспективных серий расширяется. Тип интегральной микросхемы - интегральная микросхема конкретного функционального назначения и определенного конструктивно- технологического и схемотехнического решения, имеющая свое условное обозначение. Под типономиналом интегральной микросхемы понимается микросхема конкретного типа, отличающаяся от других микросхем того же типа одним или несколькими параметрами. 63 Группа типов микросхем - совокупность типов микросхем в пределах одной серии, имеющих аналогичное функциональное назначение и принцип действия, свойства которых описываются одинаковым или же близким составом электрических параметров. Условные обозначения микросхем Все многообразие выпускаемых серий микросхем согласно принятой системе условных обозначений по конструктивно-технологическому исполнению делится на три группы: полупроводниковые, гибридные, прочие. К последней группе относят пленочные микросхемы, которые в настоящее время выпускаются в ограниченном количестве, а также вакуумные и керамические. Указанным группам микросхем в системе условных обозначений присвоены следующие цифры: 1, 5, 7 - полупроводниковые (обозначение 7 присвоено бескорпусным микросхемам); 2, 4, 8 - гибридные; 3 - прочие микросхемы. По характеру выполняемых функций микросхемы подразделяются на подгруппы (генераторы, модуляторы, триггеры, усилители, логические схемы и др.) и виды (преобразователи частоты, фазы, длительности, напряжения и др.). Классификация наиболее популярных микросхем по функциональному назначению приведена в таблице 6.1. По принятой системе, обозначение микросхемы должно состоять из четырех элементов. Первый элемент - цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Второй элемент - две-три цифры, присвоенные данной серии как порядковый номер разработки. Таким образом, первые два элемента составляют три-четыре цифры, определяющие полный номер серии микросхемы. Третий элемент - две буквы, соответствующие подгруппе и виду (табл. 6.1). Четвертый элемент порядковый номер разработки микросхемы в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку микросхем. Он может состоять как из одной цифры, так и из нескольких. 64 В качестве примера рассмотрим условное обозначение полупроводниковой микросхемы серии 1554ИР22. Из условного обозначения следует, что эта микросхема - регистр с порядковым номером 554 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 22 выполнена по полупроводниковой технологии. Таблица 1 65 66 Пример условного обозначения полупроводниковой микросхемы: обозначение - ИЕ (счетчик) с порядковым номером серии 554 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 7. Полное обозначение микросхемы 1554ИЕ7. В последнее время при четырехзначном номере серии первую цифру порядкового номера серии устанавливают в зависимости от функционального назначения микросхем, входящих в серию. Например, цифра 0 определяет, что данная серия микросхем предназначена для работы в составе бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Цифра 1 ставится на аналоговых микросхемах, цифра 4 - микросхемам ОУ, цифра 5 - цифровым микросхемам, цифра 6 - серии микросхем памяти, цифра 8 - сериям МП. Если в конце условного обозначения стоит буква, то она определяет технологический разброс электрических параметров данного типономинала. На микросхемах, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения ставится буква К, например: К1533ИР22. Для характеристики материала и типа корпуса перед цифровым обозначением серии могут быть добавлены следующие буквы: Р пластмассовый корпус типа ДИП; М - металлокерамический корпус типа ДИП и т.д. Операционный усилитель 67 Понятие операционного усилителя Мы ранее убедились в том, что однокаскадный транзисторный усилитель неизбежно меняет фазу выходного напряжения относительно входного напряжения на 180. Соответственно, два последовательно включенных каскада позволяют сохранить фазу выходного напряжения такой же, как у входного напряжения. Промышленно выпускает микросхемы, у которых большое число транзисторных усилителей. Микросхемы получили имя «Операционный усилитель». Операционный усилитель (ОУ) - это сложное электронное устройство, состоящее из большого количества транзисторов. Он имеет два входа и один выход (рис. 5.9). Один вход обеспечивает инверсию сигнала, другой нет. По этой причине первый называют инвертирующим, второй не инвертирующим. Кроме того, он питается от двух полярного источника питания и потому на его выходе при отсутствии входного напряжения сигнал практически отсутствует. Кроме этих выводов микросхема может иметь другие вывода, используемые для коррекции режимов его работы по постоянному и переменному токам. Условно-графическое его обозначение приведено на рис. 5.9. Микросхема имеет набор параметров, по которым можно выбрать нужную микросхему для конкретной электрической цепи. U1 U2 + + - - U3 Eп Eп Рис. 5.9 U3 2 1 KU3 +U3 U1 -U3 f Uo,max Рис. 5.10 fB fe Рис. 5.11 R2 f R1 U1 U3 -|2 Рис. 5.12 U2 Рис. 5.13 Коэффициент усиления 68 Основным параметром операционного усилителя (ОУ) является коэффициент усиления: К0 U ВЫХ U ВЫХ . U ВХ U0 (5.12) Его величина у современных ОУ составляет десятки и сотни тысяч раз. Причем ОУ усиливают как постоянный (медленно меняющийся) так и переменный ток (напряжение) с частотой до нескольких десятков мегагерц. Амплитудная характеристика усилителя Под амплитудной характеристикой (рис.5.10) понимают зависимость выходного напряжения U3 от входного напряжения U1 или U2. Она приводится для инвертирующего и не инвертирующего входов и практически отличается друг от друга только по фазе на величину . Для не инвертирующего входа вид амплитудной характеристики (АХ) представлен на рис. 5.10. Квазилинейный участок (между точками 1 и 2) используется для работы ОУ в качестве линейного преобразователя (усилителя, сумматора и т.д.). Однако в силу большого коэффициента усиления входное напряжение U0 настолько мало, что потенциалы инвертирующего и не инвертирующего входов можно считать равными. Действительно, пусть коэффициент усиления ОУ равен K 0 50000 , напряжение источника питания E 15 В. Так как выполняется соотношение Uвых < E, то можно записать такое соотношение U0 0,8E 0,8 15 0,00024 В или 240 K0 50000 мкВ. На практике приходится усиливать вол много раз большие входные напряжения, но при этом ОУ будет заходить на нелинейные участки АХ (за точки 1 и 2), где выходное напряжение становится постоянным, хотя входное напряжение будет изменяться. 69 Это обстоятельство указывает на то, что ОУ без отрицательной обратной связи работать не может. Такая связь обычно создается навесными резисторами. Нелинейный участок позволяет использовать ОУ как ключ (компаратор), у которого на выходе имеются только два состояния +U3 и – U3. Компаратор можно использовать в качестве индикатора, который фиксирует момент перехода напряжения через нуль; позволяет определить знак напряжения относительно заданного уровня. Справочные данные микросхемы ОУ В справочниках приводят обычно такие параметры ОУ: - усиление на низкой частоте K 0 ; - единичная частота f e , - напряжение источника питания E ; - входные токи I1 и I 2 ; - выходное напряжение и его дрейф при отсутствии входного напряжении; - входное сопротивление (в некоторых ОУ очень велико); - выходное (50…200 Ом) сопротивление. Операционный усилитель как функциональное звено Инвертирующий усилитель на микросхеме ОУ Усилитель (рис. 5.13) имеет усиление, зависящее от цепи обратной связи, созданной сопротивлениями R1 и R2. В общем виде выражение для коэффициента усиления имеет такой вид К ОС К0 , 1 К00 где К ОС коэффициент усиления усилителя с обратной связью, К0 усиление операционного усилителя, 70 0 коэффициент обратной связи, определяемый конфигурацией обратной связи. Если его входное сопротивление ОУ принять равным бесконечности, то можно пренебречь ето входным током и считать, что токи в сопротивления одинаковы. Если выбрать ОУ с очень большим коэффициентом усиления, то входное напряжение U0 U max K0 можно считать равным нулю. В результате, уравнения состояния схемы для входного и выходного контуров запишутся так U1 IR1 U 0 U 3 IR 2 U 0 . С учетом принятых условий получим U1 IR1 U 3 IR 2. (5.17) С учетом инверсии напряжения коэффициент усиления усилителя на средних частотах равен К ОС U3 R2 . U1 R1 (5.18) Входное и выходное сопротивления можно вычислить по формулам: RВХ ,ОС RВХ (1 K 0 0 ) RВЫХ ,ОС RВЫХ 1 K00 (5.19) Уравнения (5.19) показывают, что входное сопротивление усилителя на ОУ становится бесконечно большим, а выходное сопротивление практически равным нулю. 71 Не инвертирующий усилитель на микросхеме ОУ Этот усилитель ( рис.5.14) имеет входное сопротивление, зависящее от свойств транзисторов, применяемых в микросхеме, и может достигать сотен мегом и более. Выходное сопротивление всегда считают равным нулю. Напряжения входа и выхода однофазны. Коэффициент усиления отличается от инвертирующего усилителя на единицу. К ОС U3 R2 1 . U2 R1 (5.20) U1 R1 С R3 U3 R t R2 U2 С R U1 U1 U3 U3 t U3 0 Рис. 5.16 Рис. 5.17 Рис. 3.19 Из формулы (5.20) видно, что при R2 = 0 t1 t2 Рис. 5.20 (или R1 равным бесконечности) входное и выходное напряжения становятся равными по величине и фазе. Это повторитель напряжения. На практике для получения повторителя инвертирующий вход накоротко соединяют с выходом ОУ. Достоинство такого повторителя состоит в том, что он имеет бесконечно большое входное сопротивление и практически нулевое сопротивление выходное. R2 R2 R1 R2 R1 R1 U1 U3 U3 U2 Рис. 5.21 U3 U2 Рис. 5.14 Рис. 5.15 Это используют для развязки каскадов усиления, усилителя и измерительного прибора и т.д. Схема повторителя напряжения или, как его называют трансформатором сопротивления, приведена на схеме рис. 5.15. 72 Сумматор на микросхеме ОУ Сумматор приведен на схеме рис. 5.16. Для схемы рис. 5.16, согласно методу суперпозиции, известного из курса электротехники, можно записать выражение для выходного напряжения U 3 U 1 R3 R3 U 2 . R1 R2 (5.21) Выражение (5.21) указывает на то, что рассмотренная схема может складывать входные напряжения арифметически с некоторыми весовыми коэффициентами, которые оператор может менять по своему усмотрению. Наращивая число входов можно получить суммирование большого числа напряжений. Этот блок применяется в аналоговых вычислительных машинах. Лучшие свойства имеет не инвертирующий сумматор, обладая большим входным сопротивлением. Интегратор на микросхеме ОУ Если сопротивление R2 в усилителе заменить конденсатором (рис. 5.17), то получим интегрирующий каскад, выходное напряжение которого определяется через интеграл от входного напряжения. Получим коэффициент передачи напряжения такого усилителя. U1 IR U 0 IR, U3 1 Idt. C Выразив ток из первого уравнения полученной системы уравнений и подставив его во второе уравнение, получим зависимость выходного напряжения от входного U1 IR U 0 IR, U3 1 U1 1 dt U1dt. C R RC (5.22) 73 Уравнение (5.22) показывает, что каскад выполняет интегрирование любой функции, лишь бы оно было преобразовано в эквивалентное напряжение. Фактически элементная база электроники несовершенна и чистого интегрирования не получается. Лучшими свойствами обладает интегратор с не инвертирующим входом, но на выходе имеется часть не проинтегрированного входного сигнала. Интегрирование тем совершеннее, чем больше постоянная времени RC. Дифференциатор на микросхеме ОУ Вывод коэффициента передачи дифференциального каскада тоже простой U 3 IR U 0 IR, U1 1 Idt. C Продифференцируем второе уравнение полученной системы уравнений и выразим из полученного выражения ток I C dU 1 dt , затем подставим этот ток в первое уравнение системы и получим зависимость выходного и входного напряжений U 3 RС dU 1 . dt (5.23) Уравнение (5.23) показывает, что каскад выполняет дифференцирование любой функции, лишь бы оно было преобразовано в эквивалентное напряжение. Фактически элементная база электроники несовершенна и чистого дифференцирования не получается. Дифференцирование тем совершеннее, чем меньше постоянная времени RC. 74 Электронный ключ на микросхеме ОУ Ранее мы показали, что микросхема ОУ без обратной связи будет работать как электронный ключ (компаратор). Рис. 5.20 иллюстрирует работу ОУ в режиме компаратор. Если ОУ имеет огромный коэффициент усиления, то напряжение на выходе ОУ меняется практически в момент перехода входного напряжения через нуль. В результате при больших сигналах на выходе получаем прямоугольные импульсы. Эти импульсы дают такую информацию: - ключ показывает момент перехода входного напряжения через нуль. Информацией является для этого скачек напряжения от -Uвых,макс до +Uвых,макс; - полярность выходного напряжения показывает полярность входного напряжения. К сожалению, стабильность работы такого ключа плохая. Чтобы его работа была стабильной, организуют положительную связь с помощью резисторов, как показано на рис. 3.21. Часто такой электронный ключ применяют как нуль-индикатор: при переходе входного напряжения через нуль, выходное напряжение скачком меняет свою полярность. Применяя дифференцирующий усилитель, можно получить знак производной и, следовательно, определить произошло увеличение или уменьшение напряжения. Это свойство каскада применяется в системах автоматики, например, при уравновешивании электронных мостов. 75 Тема 4.2 Печатные платы. 4.2.1 Описание и использование печатных плат Появление печатных плат (ПП) в их современном виде совпадает с началом использования полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонние плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры. Основными достоинствами печатных плат являются: Увеличение плотности монтажа и возможность микро- миниатюризации изделий. Гарантированная стабильность электрических характеристик. Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям. Унификация и стандартизация конструктивных изделий. Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ. Разработка очередных поколений элементной базы (интегральная, затем функциональная микроэлектроника), ужесточение требований к электронным устройствам, потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат (МПП), появлению гибких, рельефных печатных плат. Многообразие сфер применения электроники обусловило совместное существование различных типов печатных плат: Односторонние печатные платы Двухсторонние печатные платы Многослойные печатные платы Гибкие печатные платы 76 Рельефные печатные платы (РПП) Высокоплотная односторонняя печатная плата Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла. Односторонние печатные платы Односторонние платы по-прежнему составляют значительную долю выпускаемых в мире печатных плат. В предыдущем десятилетии в США они составляли около 70% объема выпуска плат в количественном исчислении, однако, лишь около 10 % в стоимостном исчислении. В Великобритании такие платы составляют около четверти от объема всего производства. Маршрут изготовления односторонних плат традиционно включает сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности и подготовку к пайке, разделение заготовок. Стоимость односторонних плат составляет 0,1 - 0,2 от стоимости двухсторонних плат, это делает их вполне конкурентными, особенно в сфере бытовой электроники. Отметим, однако, что для современных электронных устройств, даже бытового назначения, односторонние платы часто требуют контурного фрезерования, нанесения защитных маскирующих покрытий, их сборка ведется с посадкой кристаллов непосредственно на плату или поверхностным монтажом. Пример такой платы в сборе, используемой в цифровом спидометре - альтиметре горного велосипеда, показан справа. 77 Типовые параметры плат: Макс. размеры заготовки - 400 мм x 330 мм Минимальный диаметр отверстия - 0,6 мм Минимальная ширина проводника - 0,15 мм Минимальный зазор - 0,15 мм Толщина фольги - 36 мкм Толщина платы - 0,4 - 1,6 мм Альтернативой фотохимическому способу изготовления односторонних плат является фрезерование проводящего слоя в медной фольге на двухкоординатных фрезерных станках с ЧПУ. Этот метод наиболее эффективен при изготовлении прототипов плат, он позволяет разработчику получить опытный образец за 1,5 - 2 часа в условиях конструкторского бюро. 78 Двухсторонние печатные платы Двухсторонние платы составляют в настоящее время значительную долю объема выпуска плат, например, в Великобритании до 47 %. Не претендуя на однозначность оценок, а опираясь лишь на собственную статистику последних трех лет, можно оценить долю двухсторонних плат в российском производстве в 65 - 75%. Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления. Вместе с тем, для большинства двухсторонних плат за рубежом проектные нормы "проводник / зазор" составляют 0,25 / 0,25 мм (40% от объема выпуска), 0,2 / 0,2 мм (18%) и 0,15 / 0,15 мм (18%). Это позволяет использовать такие платы для изготовления широкого круга современных изделий, они вполне пригодны как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Нередко на проводники двухсторонних плат наносится золотое покрытие (фото слева), а для металлизации отверстий используется серебро (фото справа). 79 Типовые параметры двухсторонних плат: Максимальные размеры заготовки - 300x250 .500х500 мм Минимальный диаметр отверстия - 0.4 .0,6 мм Минимальная ширина проводника - 0,15 мм Минимальный зазор - 0,15 мм Толщина фольги - 18 36 мкм Толщина платы - 0,4 - 2,0 мм Опираясь на собственный опыт изготовления прототипов отечественных двухсторонних плат, можно констатировать, что запросы отечественных разработчиков удовлетворяются пока диапазоном проектных норм 0,2 / 0,2 - 0,3 / 0,3 мм, норма 0,15 / 0,15 мм встречается не более, чем в 10% случаев. Отметим, что отечественные разработчики, точно также как их зарубежные коллеги, закладывают в технические задания на изготовление двухсторонних плат нанесение паяльной маски, маркировку, весьма часто фрезерование плат по сложному контуру. Как правило, сборка таких плат предусматривает поверхностный монтаж компонентов. 80 Тема 4.3. Сервомеханизмы. 4.3.1 Понимание следующих терминов: системы управления без обратной связи и системы с обратной связью, обратной связи, датчика обратной связи, аналоговых преобразователей. Сервомеханизм - следящая система автоматического регулирования, которая работает по принципу обратной связи и в которой один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают механическое регулирующее воздействие на объект. Термин "серво-" (от лат. servus - слуга) используется для обозначения механизмов и систем, выходная величина которых поступает на вход, где сравнивается с задающим воздействием. Сервосистемы обладают, как правило, двумя особенностями: способностью усиливать мощность и информационной обратной связью. Усиление необходимо потому, что требуемая на выходе энергия обычно велика (берется от внешнего источника), а на входе незначительна. Системы управления с разомкнутой цепью (без обратной связи). Цепь управления без обратной связи можно рассмотреть на примере работі шагового двигателя ШД . Как правило, работой ШД управляет электронная схема, а питание его осуществляется от источника постоянного тока. Шаговые двигатели применяют для управления частотой вращения без применения дорогого контура обратной связи. Рис.1 Перфоратор бумажной ленты: 81 1 — система управления; 2 — перфоратор; 3 — звездочка; 4 — шаговый двигатель Этот принцип используется в приводе с разомкнутой цепью. Управление без обратной связи хотя и является экономически выгодным, но имеет и ряд ограничений. Например, поворот ротора становится колебательным и нестабильным по значению конечных скоростей, вследствие чего характеристики движения, частота вращения и ускорение ШД с управлением без обратной связи не могут быть такими же точными, как у двигателей постоянного тока с обратной связью. Следовательно, уменьшение колебаний — это основная проблема, которую необходимо разрешить для расширения границ применения ШД. Для понимания основной конфигурации системы управления ШД рассмотрим управление перфоратором, который использует ШД для подачи бумажной ленты (рис.1). Этим устройством создаются управляющие инструкции в виде перфорации для машин с цифровым управлением. Система управления лентой может быть представлена в виде схемы, изображенной на рис. 2. Позднее мы объясним, почему для этой цели используют в основном трех- и четырехфазные ШД. Рассмотрим работу трехфазного двигателя. Наиболее важной особенностью ШД является то, что на каждый импульс управления ротор поворачивается на фиксированный угол, значение которого в градусах называется шагом. При получении команды логическая цепь определяет, какая фаза должна быть задействована и посыпает сигнал управления на инвертор, определяющий значение тока ШД. 82 Рис. 2 Структурная схема системы управления двигателем: 1 — логический блок; 2 — инвертор; 3 — шаговый двигатель Принцип разомкнутого управления или без обратной связи сущность которого состоит в том, что программа управления жестко задана ЗУ. При этом управление не учитывает влияние возмущений на параметры процесса, поэтому в случае внешнего возмущающего воздействия такая система не сможет исправить ошибку в управлении без участия человека, данная ошибка со временем будет только накапливаться. Также недостатком разомкнутой системы есть её точность. Примерами систем, работающих по принципу разомкнутого управления, являются часы, магнитофон, компьютер и т.п. Функциональная схема системы с разомкнутым управлением может быть представлена в следующем виде рис.3. Рис.3 Функциональная схема без обратной связи ЗУ- задающее устройство – устройство, задающее программу. УУ – устройство управления,( исполнительный механизм – эл. двигатель) УО- управляемый орган ( заслонка, вентиль, реостат и т.д.) F(t) – возмущающее воздействие 83 Наибольшее распространение в технике автоматического управления получил принцип обратной связи (рис.4) или системы с обратной связью. Здесь управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t). И уже не важно, какие возмущения действуют на ОУ. Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала u(t) с целью уменьшения данного отклонения. Связь выхода ОУ с его входом называется главной обратной связью (ОС). Рис. 4 Функциональная схема с обратной связью. Если возмущающий фактор искажает выходную величину до недопустимых пределов, то применяют принцип компенсации (рис.6, КУ корректирующее устройство). Пусть yо - значение выходной величины, которое требуется обеспечить согласно программе. На самом деле из-за возмущения f на выходе регистрируется значение y. Величина e = yо - y называется отклонением от заданной величины. Если каким-то образом удается измерить величину f, то можно откорректировать управляющее воздействие u на входе ОУ, суммируя сигнал УУ с корректирующим воздействием, пропорциональным возмущению f и компенсирующим его влияние. Достоинство принципа компенсации: быстрота реакции на возмущения. Он более точен, чем принцип разомкнутого управления. 84 Недостаток: невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений. Некоторые сервомеханизмы, такие как АВТОПИЛОТ самолета, снабжены механизмом ОБРАТНОЙ СВЯЗИ, который позволяет автопилоту работать без контроля со стороны человека. Сервомеханизм автоматически исправит отклонения от заранее заданного положения машины. Например, в автопилотах, установленных на многих самолетах, используются сервомеханизмы, осуществляющие 85 контроль над рулями самолета. Отклонение от заданного положения самолета, например крен (1), окажет воздействие на гироскоп (2). При этом передвинется рычажный механизм (3) таким образом, что скользящий контакт (4) переместится с центральной позиции, и в детекторную схему (5) постулит ток. Этот ток усиливается (6) и применяется для питания сервомотора (7), который будет двигать элероны (8)и корректировать полет самолета (9), возвращая контакт к первоначальной точке (5). Если бы система была чересчур чувствительной, она могла бы развернуть самолет, изменяя направление тока в цепи и заставляя самолет колебаться около положения равновесия. Обратная связь - обратное воздействие результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий орган, она характеризует системы регулирования и управления. Под отрицательной обратной связью ООС понимают такую обратную связь, при которой изменение выходного сигнала передается на вход черного ящика таким образом, чтобы подавить (компенсировать) это изменение. Т.е. отрицательная обратная связь "держит" выходной параметр неизменным. Очень важными параметрами обратной связи, даже при правильном выборе передаточной функции являются 1. скорость реакции на изменение выходного сигнала (временная задержка) - если этот параметр выбран неверно, то либо система входит в режим автоколебаний (слишком маленькое время реакции), либо регулирование не успевает за процессом (слишком большое время реакции). 2. чувствительность системы к изменению выходного сигнала - если этот параметр выбран неверно, то либо система входит в режим автоколебаний (слишком высокая чувствительность), либо регулирование не успевает за процессом (слишком низкая чувствительность). 86 3. предумотренная возможность изменения параметров передаточной функции для задач в которых требуется еще и внешнее регулирование уровня выходного сигнала ( управление выходом) Под положительной обратной связью ПОС понимают такую обратную связь, при которой изменение выходного сигнала передается на вход черного ящика таким образом, чтобы усилить (увеличить) это изменение. Т.е. положительная обратная связь "разгоняет" изменение выходного параметра. Из практических общеинженерных применений ПОС следует выделить использование выходного сигнала с временной задержкой для возбуждения системы. Огромное количество электротехнических решений (усилители, автоколебательные системы, генераторы сигналов) базируется именно на явлении ПОС. Датчик (воспринимающее устройство, первичный преобразователь, датчик обратной связи) – измеряет управляемые величины и, при необходимости, преобразует их в другие, для удобства передачи, обработки или хранения контролируемых параметров. В системах автоматики датчик предназначен для измерения и преобразования контролируемой или регулируемой величины объекта в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего движения информации, ее хранения и обработки. Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями. Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой системы автоматики. Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации 87 и т.п. В этих условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности преобразования. По характеру зависимости выходного сигнала от входного датчики могут быть: пропорциональные, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине; нелинейные, у которых сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе; релейные, у которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно; импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов-импульсов, число которых пропорционально измеряемой величине. По виду преобразования сигналов датчики делят на электроконтактные, в которых механическое перемещение преобразуется в электрический сигнал; индукционные, у которых изменение угла поворота вызывает изменение фазы электрического сигнала; фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в импульсы или комбинации импульсов. По назначению измерительные устройства совместно с датчиками в станочных системах управления могут подразделяться на устройства: пути, положения, скорости, углового положения и угла рассогласования. Распространение получили устройства, в которых в качестве датчиков используют вращающиеся трансформаторы, сельсины, тахогенераторы и индуктосины. Измерительные индукционные устройства следящего привода дают информацию о действительном положении рабочего органа и скорости его перемещения. Они состоят из собственно датчика, его устройства связи с рабочим органом и схемы обработки выдаваемых датчиком сигналов. В качестве индукционных датчиков измерительных устройств могут быть использованы: вращающиеся трансформаторы, сельсины, тахогенераторы, индуктосины, редусины и др. 88 Метрологические характеристики датчиков: статическая зависимость характеристика изменения выходной датчика, величины представляющая от изменения собой входной величины; чувствительность датчика — отношение приращения выходной величины к приращению входной величины, т.е. чувствительность датчика есть не что иное, как коэффициент передачи; порог чувствительности датчика — наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе (этот параметр связывают с зоной нечувствительности, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует); инерционность датчика — время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине; точность выполняемых ими функциональных преобразований, которую принято характеризовать величинами основных и дополнительных погрешностей. Аналоговые преобразователи Обязательным условием обеспечения высоких метрологических параметров системы цифровой обработки информации в целом является предварительное преобразование сигналов непосредственно в аналоговой форме. Это требование связано в первую очередь с необходимостью усиления сигналов низкого уровня с датчиков и согласования уровней для обеспечения работы блоков аналого-цифрового преобразования, ограничения спектра сигнала (фильтрация) с целью уменьшения искажений при дискретизации. Одной из важных и весьма сложных проблем аналоговой обработки сигналов является достижение высокой чувствительности преобразователей в заданной полосе частот при большом динамическом диапазоне изменения 89 амплитуды сигнала. С этой целью применяют каскадное соединение ряда преобразователей, каждый функциональную операцию из которых (усиление, выполняет определенную согласование, фильтрацию, модуляцию, детектирование, сглаживание). В зависимости от функционального назначения устройства и узлы аналоговой обработки сигналов имеют различную структуру и уровень сложности, используют разнообразную элементную базу . На начальных этапах развития электроники применяли преимущественно пассивные преобразователи, построенные на базе R, C, L, M элементов и диодов. Они составляли большую часть формирователей сигналов, частотных фильтров, регуляторов. Основным недостатком пассивных преобразователей является сложность получения заданных параметров, которые зависят как от характеристик входящих в устройство элементов, так и от взаимовлияния блоков при их соединении. Это может приводить к изменению характеристик в различных режимах работы, и, кроме того, существенно затрудняет проектирование. На начальных этапах развития электроники проблему развязки каскадов (уменьшения взаимовлияния) в преобразователях решали за счет использования буферных усилительных каскадов, включенных на входах или выходах отдельных блоков. Собственные параметры усилительных каскадов существенно зависят от дестабилизирующих факторов (температуры, влажности). Эффективным способом повышения стабильности характеристик преобразователей с полупроводниковыми усилителями служит введение цепей отрицательной обратной связи (ООС), содержащих пассивные компоненты со слабой зависимостью от дестабилизирующих факторов. Исходные усилители, на базе которых строится преобразователь с ООС, должны обладать запасом значений параметров, подлежащих улучшению. Универсальным 90 усилительным устройством, на основе которых можно построить практически любой преобразователь, служит операционный усилитель, обладающий избыточностью значений большинства параметров: большим коэффициентом усиления напряжения (10 5 … 10 8 ); высоким входным сопротивлением (10 4…10 9 ) Ом; малым выходным сопротивлением 10…10 3 Ом; большим динамическим диапазоном 80…120 дБ; широкой полосой частот усиливаемых сигналов от fн = 0 до fв = 10 МГц. При глубокой ООС параметры преобразователя на основе ОУ могут определяться высокостабильными параметрами пассивных компонентов. Преимущественное применение интегральных микросхем в системах обработки информации привело к необходимости решения проблемы совместимости в едином устройстве цифровых и аналоговых блоков, которые не должны слишком отличаться по степени интеграции и набору выполняемых функций. Вместе с тем, миниатюризация аналоговых устройств ограничивалась технологическими возможностями изготовления элементов с требуемыми параметрами, и они имели более низкий уровень интеграции по сравнению с цифровыми приборами. В ряде приложений с целью унификации применяемой элементной базы аналоговых устройств используются цифровые логические элементы (ЛЭ) в усилительном режиме. При этом необходимо обеспечить стабильное положение рабочей точки на линейном участке проходной характеристики ЛЭ. микросхемы, обладающие высоким входным сопротивлением и имеющие хорошую температурную стабильность параметров. Линейный режим, например, инвертора КМОП несложно обеспечить включением резистора между входом и выходом, а согласование уровня сигналов выбором необходимого напряжения электропитания (рис.11.2,а). 91 Аналогово-цифровые преобразователи Современные микропроцессорными системы автоматического системами или их контролируются упрощённым видом – микроконтроллерами, в которых обработка информации от датчиков производится в цифровом виде. Следовательно, электрический аналоговый сигнал, вырабатываемый датчиком под воздействием возмущения, для его обработки и формирования управляющего сигнала по цепи ООС необходимо преобразовать в соответствующий цифровой код. Для этой цели служит аналогово – цифровой преобразователь. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - один из самых важных электронных компонентов в измерительном и тестовом оборудовании. АЦП преобразует напряжение (аналоговый сигнал) в код, над которым микропроцессор и программное обеспечение выполняют определенные действия. АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае. Существуют общие определения, которые принято использовать в отношении аналого-цифровых преобразователей. Тем не менее, характеристики, приводимые в технической документации производителей АЦП, могут показаться довольно путаными. Правильный же выбор 92 оптимального по сочетанию своих характеристик АЦП для конкретного приложения требует точной интерпретации данных, приводимых в технической документации. Наиболее часто путаемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики реального АЦП крайне слабо связаны между собой. Разрешение не идентично точности, 12разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-разрядного АЦП это 28=256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего идеального значения для данного входного напряжения. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности. АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. Блок-схема АЦП первого порядка приведена на рис. . Аналоговый сигнал подается на интегратор, выходы которого подсоединены к компаратору, который в свою очередь присоединен к 1-разрядному ЦАП в петле обратной связи. Путем серии последовательных итераций интегратор, 93 компаратор, ЦАП и сумматор дают поток последовательных битов, в котором содержится информация о величине входного напряжения. Рис. 4. АЦП Результирующая цифровая последовательность затем подается на фильтр нижних частот для подавления компонентов с частотами выше частоты Котельникова (она составляет половину частоты дискретизации АЦП). После удаления высокочастотных составляющих следующий узел дециматор - прореживает данные. В рассматриваемом нами АЦП дециматор будет оставлять 1 бит из каждых полученных 128 в выходной цифровой последовательности. Качество преобразования АЦП описывается передаточной характеристикой. Передаточная характеристика АЦП - это функция зависимости кода на выходе АЦП от напряжения на его входе. Такой график представляет собой кусочно-линейную функцию из 2N "ступеней", где N - разрядность АЦП. Каждый горизонтальный отрезок этой функции соответствует одному из значений выходного кода АЦП (см. рис. 5). Если соединить линиями начала этих горизонтальных отрезков (на границах перехода от одного значения кода к другому), то идеальная передаточная характеристика будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат. 94 Рис. 5. Идеальная передаточная характеристика 3-х разрядного АЦП 4.3.2 Принцип функционирования и использования следующих деталей системы дифференциальных, синхронизации: контрольных развязывающих датчиков и устройств, передатчиков вращающего момента, индуктивных и емкостных датчиков Синхронизация нужна для того, чтобы два или более устройства стартовали в одной и той же точке на временной сетке и в дальнейшем работали с одинаковой скоростью. Развязывающее устройство используется для соединения двух электрических блоков внутри системы для того, чтобы она могла передавать сигналы без физического соединения с приемным узлом. В качестве развязывающих устройств могут трансформаторы, разделительные применятся конденсаторы ( развязывающие для развязки по постоянному току) . В настоящее время наиболее широко в качестве среды для передачи сигнала в развязывающем устройстве используется свет. В этом 95 случае в качестве устройства развязки применяется оптрон, который обеспечивает не только защиту системы от высоковольтных выбросов напряжения, но и подавление сильных синфазных переходных помех, которые могут вызвать аномальные переходные напряжения или повышенный уровень шума выходного сигнала. Развязывающие устройства позволяют исключить взаимное влияние составляющих системы, узлов , блоков друг на друга. Дифференцирующие датчики предназначены для определения отклонения параметров от заданной величины. Наиболее распространенным дифференцирующим датчиком является емкостные дифференцирующие датчики, которые применяются в качестве датчиков угловых перемещений. Датчики угловых перемещений Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора. В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой. 96 Инклинометры Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы. Рис. 6. Устройство емкостного инклинометра Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости. Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра. Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми 97 приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах. Контрольные датчики предназначены для формирования сигнала при выходе контролируемого параметра величины за определённые пределы. Могут применятся в системах сигнализации, автоматического пожаротушения, системах предупреждения критических режимов и т.д. Преобразователи (датчики) крутящего момента. Преобразователи (датчики) крутящего момента, как показывает опыт, часто подвергаются разрушающей перегрузке. Это объясняется следующим. В зависимости от типа устройства, создающего крутящий момент, среднее значение этого момента образовано последовательностью импульсных моментов, которые могут значительно превосходить среднее значение. В двигателях внутреннего сгорания вообще имеет место пульсирующий крутящий момент. В то же время нередко ошибочно при тарировке и испытаниях датчиков крутящего момента используют электродвигатели, создающие постоянный крутящий момент. Часто не учитывают того, что исследуемая установка представляет собой колебательную систему и что в ней могут возникать крутильные колебания. При переходе через положение резонанса мгновенные значения могут во много раз превысить среднее значение крутящего момента. Преобразователи (датчики), рассчитанные на среднее значение момента, могут не выдержать таких перегрузок, и поэтому их необходимо рассчитывать на максимумы момента. При измерении динамической колебательной характеристики производственного оборудования необходимо проверить, в какой мере 98 преобразователь (датчик) крутящего момента, действующий как торсионная пружина, меняет колебательную характеристику всей установки в целом. Тензорезисторные преобразователи (датчики) крутящего момента. Такие преобразователи находят широкое использование для измерения крутящего момента. Диапазон измерений серийно выпускаемых тензорезисторных преобразователей крутящего момента составляет от 0 – 0,1 Н·м до 0 – 50 кН·м, а в случае необходимости и более. Рис. 7 Схема тензорезисторные преобразователи (датчики) крутящего момента Конструктивное исполнение, основные типы. Важнейшей частью преобразователя (датчика) крутящего момента является, как правило, чувствительный цилиндрический элемент, который под действием приложенного к нему моменту закручивается. Возникающие при этом напряжения сдвига или деформации служат мерой крутящего момента. Упомянутые напряжения или деформации воспринимаются тензорезисторами, которые приклеивают к чувствительному элементу под углом 450 к его продольной оси и включают в схему моста Уитстона. Для передачи питающего напряжения и измерительного сигнала применяют контактные кольца или передачу сигналов без использования контактных колец. На рис.7 приведена типичная конструкция преобразователя (датчика) крутящего момента с контактными кольцами. На суженном участке вала, представляющего собой чувствительный элемент, видны тензорезисторы, 99 расположенные под углом 450. Известно соотношение . Поэтому, зная и параметры торсионного вала получим Измеряя углы закручивания, можно определить соответствующее значение Мк . При малых крутящих моментах для получения достаточной деформации диаметр вала должен быть очень малым. (Для обеспечения необходимой устойчивости в этих случаях применяют чувствительные элементы другой формы, например в виде клетки, стержни которой работают на изгиб). Односторонне расположение подшипников снижает погрешности от трения. Для вентиляции и охлаждении служит вентилятор. Тензорезисторы соединены с неподвижным корпусом при помощи контактных колец и съемных щеток. Необходимые для измерения мощности параметры скорости и направления вращения могут быть также получены бесконтактным способом. Преобразователи (датчики) крутящего момента с бесконтактной передачей сигналов наиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания. Примером такого преобразователя является преобразователь момента, представленный на рисунке 12.7. Этот преобразователь работает совместно с фотодатчиком ДФ-1, в проеме которого размещаются диски 3 и 4, образующие при увеличении момента увеличивающиеся по ширине щели и, как следствие, формирующие при своем вращении в проеме неподвижного фотодатчика последовательности увеличивающихся по длительности импульсов. 100 На схеме обозначены: 1, 2 – полумуфты левая и правая; 3, 4 левый и правый диски с выступами, 5 – упругие элементы (пружины). Этот преобразователь крутящего момента содержит полумуфты 1 и 2, неподвижно закрепленные на полумуфтах диски 3 и 4 с радиальными прорезями, упругие элементы 5 (в данном примере – пружины сжатия), размещенные между выступами-кулачками полумуфт. Диски 3 и 4 имеют возможность поворачиваться один относительно другого, и в исходном их положении радиальные прорези одного диска перекрыты выступами другого, т.е. эти диски не образуют радиальных щелей. Полумуфты 1 и 2 расположены в непосредственной близости одна от другой так, что закрепленные на полумуфтах диски с радиальными прорезями могут быть размещены в проеме одного и того же фотодатчика (рис. 12.7). Здесь торсионный вал упразднен и заменен упруго деформируемыми элементами, связывающими полумуфты в окружном направлении. преобразователь позволяющую фактически помимо своей Следовательно, представляет собой основной функции рассматриваемый упругую вести муфту, измерение передаваемого момента. Работает преобразователь крутящего момента следующим образом. При вращении вала, на котором измеряется момент, вращаются диски 3 и 4, размещенные в проеме фотодатчика 8 или 9. Если момент на 101 валу отсутствует, то диски 3 и 4 перекрывают световой пучок фотодатчика, и на выходе этого фотодатчика сигнал отсутствует. С появлением крутящего момента пружины 5 деформируются, полумуфты 1 и 2 поворачиваются на некоторый угол одна относительно другой, получают угловое смещение диски 3 и 4, в результате чего образуются радиальные щели, и при перемещении дисков в проеме фотодатчика последний генерирует импульсы, длительность которых пропорциональна ширине радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, а следовательно величине момента. При увеличении момента на валу ширина радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, увеличивается, а потому увеличивается длительность генерируемых фотодатчиком импульсов. Таким образом, углы относительного поворота полумуфт 1 и 2, пропорциональные крутящему моменту, преобразуются в электрические сигналы преобразователя, которые регистрируются, и по их значениям определяются соответствующие величины измеряемых моментов. Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента. Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента принципиально могут быть применены в тех же областях, что и тензорезисторные преобразователи. Однако они отличаются повышенной чувствительностью: диапазон измерений находится в пределах от 0 – 0,1 Н·см до 0 – 100 кН·м. Конструктивное исполнение, основные типы. Основным элементом индуктивных преобразователей (датчиков) крутящего момента является торсионный стержень, закручивание которого воспринимается индуктивным преобразователем. При этом либо втяжной якорь перемещается в катушках, что вызывает разбаланс мостовой схемы, либо катушки в трансформаторной схеме перемещаются одна относительно другой. В обоих случаях на выходе системы обмоток появляется напряжение, пропорциональное закручиванию стержня, а следовательно, и крутящему моменту. 102 Так как индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента должны работать на несущей частоте, то и в данном случае имеется возможность бесконтактного подвода и регистрации напряжения. Пьезоэлектрические преобразователи (датчики) крутящего момента. Пьезоэлектрический эффект используется для измерения крутящего момента только применительно к измерительной платформе. Реагирующие на сдвиг кварцевые пластинки, установлены по кольцу и их оси, направлены по касательным. Отдельные кварцевые пластинки электрически и механически соединены между собой параллельно; полный заряд соответствует воздействующему на них крутящему моменту. Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал. Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д. В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины. Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля. 103 Преимущества - нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов - отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания - высокая частота переключений до 3000 Hz - устойчив к механическим воздействиям Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику). Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением: С = e0eS/h где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора. Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости. Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход. Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств. 104 Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.). Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества. 105 Перечень вопросов 1. Какое основное свойство диодов . 2. Назовите типовое полупроводниковые материалы. 3. Укажите схемное обозначение полупроводниковых диодов. 4. Что называется тепловым пробоем полупроводникового диода. 5. Что называется электрическим пробоем, как он применяется. 6. Какая зависимость называется вольт-амперной характеристикой диода. 7. Для чего применяют параллельное подключение диодов . 8. Для чего применяют последовательное подключение диодов. 9. Как изменяется сопротивление диода в зависимости от подключения. 10. Как проверить диод при помощи омметра. 11. При помощи какой технологии получают полупроводники n-типа. 12 При помощи какой технологии получают полупроводники p-типа . 13. Какой полупроводниковий материал может работать при большом диапазоне температур. 14. Для каких целей используют варикап в электронных устройствах. 15. На каком явлении основан принцип действия стабилитрона . 16. Какой полупроводниковый элемент називается транзистором . 17. Укажите схемное обозначение биполярного p-n-p транзистора. 18. Укажите схемное обозначение полевого транзистора со встроенным каналом n-типа. 19. По какой схеме подключен транзистор в эмитерном повторителе. 20. Укажите основные параметры транзистора. 21. Укажите, чем определяется класс усилителя. 22. Какие классы усилителей существуют, где они используются. 23. Усилителя звукових частот какого класса имеют наибольший КПД. 24. Что применяют для эффективной стабилизации рабочей точки транзистора. 25. Чему равен общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя. 106 26. Укажите условия неугасающих колебаний автогенератора. 27. Укажите классификацию генераторов. 28. Чем достигается стабильность работы усилителя постоянного тока. 29. Какие электрические цепи називаются линейными электрическими цепями. 30. Какие электрические цепи називаются нелинейными электрическими цепями. 31. Какие усилители называются операционными . 32. Какие входы имеет операционный усилитель. 33. Укажите схематическое изображение инвертирующего усилителя. 34. Укажите схематическое изображение интегрирующего усилителя. 35. Укажите схематическое изображение суммирующего усилителя - сумматора. 36. Какая связь называется позитивной обратной связью. 37. Почему опасно возникновение положительной обратной связи в усилителях. 38. Какая связь называется отрицательной обратной связью. 39. Какие параметры регулирует обратная связь в усилителях. 40. Назовите назначение печатных плат. 41. Какие виды печатных плат Вы знаете. 42. Какая технология изготовления печатных плат. 43. Что обеспечивают индукционные и емкостные датчики систем управления. 44. Какие основные преимущества систем управления без обратной связи. 45. Какие основные преимущества систем управления с обратной связью. 46. Укажите назначение генерирующих датчиков. 47. Укажите назначение параметрических датчиков. 48. Укажите назначение техногенератора. 49. Поясните принцип действия тахогенератора. 50. Укажите назначение сервомеханизма. 107 Список литературы 1. Будіщев М.С. Електротехніка, електротехніка та мікропроцесорна техніка. Підручник-Львів: Афіша, 2001. – 369с. 2. Коруд В. І., Гамола О. Є., Малинівський С. М.Електротехніка: Підручник / За заг. ред. В. І. Коруда.— 3-те вид., переробл. і доп. - Львів: "Магнолія плюс"; видавець СПД ФО В. М. Піча, 2005. - 447 с. 3. Свергун Ю.Ф. Паначевний Б.І. Загальна електротехніка. Підручник (рек. МОН України) 3-є вид. Каравела. 2009. – 296 с. 4. Петренко А.Л. Основи електротехніки з елементами електроніки. Навчальний посібник, К: Університет ,,Україна, 2006р.,307 стор. 5. В.І. Мілих „ Електроніка та електромеханіка. “ Навчальний посібник, К: Каравела,2006р.376стор. 6. П.Г.Стахів ,, Основи електроніки .“. Підручник, Львів, 2006, 208стор. 7. Бойко В.С., Бойко В.В., Видолоб Ю.Ф. та ін Теоретичні основи електротехніки: Підручник. - К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка», 2004. 272 с. 8. Электротехника, электроника, электрооборудование: Фарнасов Г. Л. Учеб-ник для вузов. - М.: "ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ", 2000. - 392 с. 9. Ю.М.Мурзин. ,, Электротехника ” . Учебник. Питер Прес.,2007 443стор. 10. Данилов И.А., Иванов П.М Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений . - 6-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2005. - 752 с. 11. Фарнасов электрооборудование: Г. Учеб-ник Л. Электротехника, для вузов. - М.: электроника, "ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ", 2000. - 392 с. 108
