КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине Элементы электроники Этапы развития электроники

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Элементы электроники»

Могилев, 2011

Введение

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, работа которых основана на прохождении электрического тока в твёрдом теле, вакууме и газах.

Если электрический ток протекает в твердом теле, то имеет место полупроводниковая электроника, если в вакууме - вакуумная (ламповая) электроника, если в газе - ионная электроника. Сейчас 99 % составляет полупроводниковая электроника, поэтому уделим именно ей особое внимание.

Этапы развития электроники:

1 этап.К первому этапу относится изобретение в 1873 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350 м. Успехи электроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии. Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний — детекторов.

2 этап. Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Джон Флеминг сконструировал электровакуумный диод.

Основными частями диода являются два электрода находящиеся в вакууме. Металлический анод (А) и металлический катод (К) нагреваемый электрическим током до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия. Электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что используется при выпрямлении переменного тока.

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А) металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение Vc можно управлять анодным током Ia практически без инерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа — триод.

3 этап. Третий период развития электроники — это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.

Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось.

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30 гг., 1928/32 гг. и 1928/33 гг. Лилиенфельд — автор этих патентов.

23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории «Белл Телефон» — Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли продемонстрирован работающий точечный биполярный транзистор. В 1956 г. удостоены Нобелевской премии.

4 этап.В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Патент США 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью.

Первый микропроцессор «Интел-4004» 1971 г. 2250 элементов. Складывал два 4-битных числа за 11 мкс.

Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1960—1969 гг. — интегральные схемы малой степени интеграции, 10² транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

1969—1975 гг. — интегральные схемы средней степени интеграций, 10³ транзисторов на кристалле (СИС).

1975—1980 гг. — интегральные схемы с большой степенью интеграции, 10⁴ транзисторов на кристалле (БИС).

1980—1985 гг. — интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 10⁵ транзисторов на кристалле (СБИС).

С 1985 г. — интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 10⁷ и более транзисторов на кристалле (УБИС).

 

Целью преподавания дисциплины «Элементы электроники» является углубление, закрепление, конкретизация и систематизация знаний, полученных при изучении дисциплины «Физические основы электроники». В процессе изучения дисциплины будут рассмотрены полупроводниковые приборы, применяемые в электронных устройствах автомобилей и тракторов, а также простейшие дискретные электронные схемы, являющиеся основой построения различных более сложных электронных схем и микросхем, как аналоговых, так и цифровых.

Эффективное применение электронных приборов и интегральных микросхем невозможно без знания их устройства, принципа действия и основных параметров.

Поэтому основные задачи дисциплины – научить студента глубоко понимать сущность явлений, происходящих в электронных приборах, применять их для создания систем управления автомобилей и тракторов, используя современную вычислительную технику; экспериментально исследовать электронные приборы на лабораторных установках.

Улучшение эксплуатационных свойств автомобиля достигается применением электронных систем, обладающих следующими функциями: управление работой двигателя, агрегатов автомобиля; отображение информации водителю, пассажирам, пешеходам, водителям других автомобилей; хранение информации; приема информации в автомобиль от внешних информационно-управляющих дорожных систем; передачи информации из автомобиля.

Наибольшее распространение получили функции управления и отображения информации. Электронные системы управляют работой двигателя, трансмиссии, ходовой части, рулевого управления, тормозной системы, кузова, системы электропитания и коммуникаций.

Все более популярными становятся электронные системы для отображения информации. Визуальные индикаторы показывают цифровые значения множества разнообразных параметров: от традиционных (например, скорость движения и частота вращения коленчатого вала) до не применявшихся ранее (например, на автомобилях фирмы "Форд" индицируется момент воспламенения смеси в каждом цилиндре). Значение параметра кодируется яркостью, длиной и шириной линии и т.п. После сообщения водителю о наступлении события (например, неисправности в какой либо системе), система "рекомендует" водителю целесообразные действия по устранению неисправности.

В результате быстрого совершенствования параметров полупроводниковых устройств, используемых при разработке микроЭВМ, стали вполне достижимыми высокая надежность, низкая себестоимость и малые размеры систем автомобильной электроники. Сегодня электроника в автомобиле играет роль одного из главных элементов систем управления. Она подразделяется на три части: систему управления двигателем и трансмиссией, систему управления ходовой частью (управление подвеской; стабилизация заданной скоростью движения; регулирование рулевого управления; блокировка колес при торможении) и систему оборудования салона (кондиционер; электронная панель приборов; многофункциональная информационная система; навигационная система).

Кроме перечисленных систем, за последнее время добавились системы предупреждения столкновения (в том числе и локационные системы), системы безопасности (в том числе и управление подушками безопасности), радиотелефоны (в том числе и для сотовой связи) и т.д.

 

Тема 1. Пассивные элементы электронных устройств

Резисторы.

 

Компоненты по своему назначению подразделяют на пассивные и активные. К пассивным компонентам относятся: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, переключатели, реле и др. К активным компонентам относятся приборы на базе p-n переходов, МОП-структур, вторичные источники питания.

Резисторы - это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. В цепях переменного тока резисторы не вносят сдвига фаз между током и напряжением и в связи с этим их сопротивление часто называют «активным».

Классификация.

По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяют на:

- постоянные — с фиксированным сопротивлением;

- переменные — с изменяющимся сопротивлением;

- специальные — сопротивление зависит от действия внеш­них факторов.

Постоянные резисторы подразделяются на две группы.

1. Общего назначения (диапазон номиналов 1...1х10⁶ Ом, номинальные мощности рассеивания 0,062... 100 Вт).

2. Специального назначения:

а) прецизионные (допуск номиналов 0,001...1 %, диапазон номиналов 0,1...10х10⁶ Ом, мощность рассеивания до 2 Вт);

б) высокочастотные — обладают малыми собственными ем­костями и индуктивностями;

в) высоковольтные (сопротивление до 10¹¹ Ом, рабочее на­пряжение от единиц до 100 кВ);

г) высокоомные (сопротивление от десятков МОм до сотен ТОм, рабочее напряжение 100...400 В).

Переменные резисторы подразделяются на подстроечные (сопротивление изменяется при регулировке электрических ре жимов цепи) и регулировочные (со­противление изменяется во время функционирования аппаратуры, более 5000 циклов).

В зависимости от изменения со­противления при изменении угла поворота подвижной части перемен­ные резисторы имеют линейную ха­рактеристику А и нелинейную: логарифмическую Б и антилогарифмическую В, специальные ха­рактеристики типа Г, Д (рис.1.1).

 

Рисунок 1.1- Зависимость относительного изменения сопротивления резистора от угла поворота подвижной части

К специальным резисторам отно­сятся:

а) варисторы — сопротивление зависит от напряженности электри­ческого поля;

б) терморезисторы — сопротивле­ние зависит от температуры;

в) фоторезисторы — сопротивление зависит от освещения резистора;

г) магниторезисторы — сопротив­ление зависит от магнитного поля.

Условно-графическое обозначение резисторов приведено на рис.1.2

 

Рисунок 1.2 - Условное обозначение резисторов: a — постоянные, б — подстроечные, в — переменные, г — терморезисторы, д — варисторы

 

По эксплуатационным характеристикам резисторы могут быть термостойкими, влагостойкими, вибро- и ударопрочными, высоконадежными.

В зависимости от вида проводя­щего резистивного элемента рези­сторы бывают проволочные и не­проволочные. В проволочных резисторах токопроводящим элементом является намотанная на каркас проволока, изготовленная из материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением. Наибольшее примене­ние нашли непроволочные резисто­ры, которые в свою очередь подразделяются на пленочные и объемные. Пленочные и объемные резисторы обладают меньшими соб­ственной емкостью, индуктивностью и значительно дешевле про­волочных.

Резистор наряду с активным сопротивлением обладает экви­валентной емкостью С и индуктивностью L (рис. 1.3).

 

Рисунок 1.3 – Эквивалентные схемы резисторов

 

Индуктивность резистора определяется его размерами и размерами выводов, составляет примерно 3х10^-9 Гн/см. Емкость резистора появляется между его различными участками, а также определяется конструкцией выводов и их размерами. У малогаба­ритных резисторов емкость невелика и составляет десятые доли пФ. Переменные резисторы обладают значительно большими емкостями и индуктивностями, чем постоянные. Наличие емкости и индуктивности вызывает появление реактивной составляющей полного сопротивления, которая приводит к изменению активной составляющей сопротивления. У проволочных резисторов с уве­личением рабочей частоты изменяется сопротивление за счет по­верхностного эффекта.

При длительном сроке эксплуатации происходит старение резисторов, что приводит к изменению их сопротивления. Старе­ние зависит от физической природы резистивного элемента. Ему наиболее подвержены композиционные резисторы и меньше всего металлопленочные. Стабильность сопротивления резисторов во времени характеризуется коэффициентом старения

 

где t — время; R₀ — сопротивление резистора непосредственно после изготовления. Коэффициент старения резисторов суще­ственно изменяется от партии к партии. Поэтому в технических условиях (ТУ) указывают коэффициент значительно меньший, чем у большей части резисторов.

Например, сопротивление С2-6 может измениться до 20 % после 15 тыс. часов эксплуатации.

 

К основным параметрам резисторов относятся:

 

1. Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение.

Под номинальным сопротивлением понимают значение сопротивления, на которое рассчитан резистор и которое указывается на резисторе или в сопроводительной документации. Выпускаются резисторы по стандартным шкалам номинальных значений с регламентированными классами точности. Класс точности резисторов определяется относительным отклонением от номинала в процентах. Основная единица измерения сопротивления резисторов – Ом и кратные ей в сторону увеличения : килоом - КОм (множитель 10³ или буква Е), мегаом (10⁶ или М), гигаом (10⁹ или Г), тераом (10¹² или Т).

Различают шесть рядов сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192 (табл. 1.1).Число указывает на число номиналов в ряде. Классы точности резисторов также стандартизованы и находятся в пределах от ±0,001% до ±20%, наиболее употребительны классы ±5 – 10%.

Таблица 1.1 - Числовые коэффициенты первых трех рядов номиналов сопротивлений

Е6	Е12	Е24		Е6	Е12	Е24
±20%	±10%	±5%		±20%	±10%	±5%
1,0	1,0	1,0	3,3	3,3	3,3
_	-	1,1	-	-	3,6
-	1,2	1,2	-	3,9	3,9
-	-	1,3	-	-	4,3
1,5	1,5	1,5	4,7	4,7	4,7
_	-	1,6	-	-	5,1
-	1,8	1,8	-	5,6	5,6
-	-	2,0	-	-	6,2
2,2	2,2	2,2	6,8	6,8	6,8
-	-	2,4	-	-	7,5
-	2,7	2,7	-	8,2	8,2
-	_	3,0	-		9,1

 

2. Номинальная мощность рассеивания. Под номинальной мощностью рассеивания понимают максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке в нормальных условиях без изменения электрических параметров выше норм, указанных в технических условиях на него. Промышленность выпускает резисторы с номинальными мощностями рассеивания от 0,001 до 500 Вт. Значения мощностей стандартизированы, наиболее часто используются в электронных схемах резисторы мощностью 0,125 –0,25 –0,5 –1 –2 Вт.

3. Предельное рабочее напряжение. Под предельным рабочим напряжением понимают максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий на электрические параметры.

 

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этот параметр характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в 1/°С.

 

где ΔR - абсолютное изменение сопротивления резистора (Ом) под влиянием температуры, R₀ - сопротивление резистора (Ом) при нормальной температуре t₀.

 

5. Уровень собственных шумов. Шум представляет собой переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения резистора, что создает помехи для прохождения сигнала и ограничивает чувствительность приемных трактов электронной аппаратуры. Собственные шумы резисторов имеют двоякую природу: это так называемые «тепловые» и «токовые» шумы. В переменных резисторах наблюдаются шумы, вызванные изменением сопротивления контактной пары за счет меняющегося во времени давления между контактами.

 

Система обозначения резисторов.

1. Система до 80-го года. А) Буква С – сопротивление; СП – переменный резистор;

Цветовая и кодовая маркировка резисторов.

Кроме всего, маломощные резисторы с допуском от ±2 до 10 % имеют стандартные значения сопротивления и стандартную цветовую маркировку (рисунок… Две первые цифры и множитель определяют номинальное сопротивление.  

Конденсаторы.

 

Конденсатор − элемент электрической цепи, состоящий из проводящих элементов, разделенных диэлектриком, и предназначенный для использования его емкости.

Емкость — отношение заряда конденсатора к той разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

C=q/U ,

где С – емкость Ф, мкФ, нФ, пФ;

q – заряд, Кл;

U – напряжение, В.

1 Ф=10⁶ мкФ=10⁹ нФ=10¹² пФ.

 

где ε₀ =8,85⋅10⁻¹² Ф/м.

Электрические характеристики и область применения конденсаторов зависят от типа диэлектрика между обкладками.

Классификация.

По характеру изменения ёмкости различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

По способу изменения емкости конденсато­ры бывают с механически и электрически управляемой емкостью.

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы постоян­ной емкости бывают: вакуумные, воздушные, с твердым неорга­ническим диэлектриком (слюдяные, керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, пленочные, стеклопленочные), с твер­дым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные), электролитические (танталовые, титановые, алюминиевые).

Условные обозначения конденса­торов показаны на рис.1.5.

 

Рисунок 1.5 - Условное обозначение конденсаторов: a — постоянной емкости; б — электролитический полярный; в — переменной емкости; г — подстроенный; д — вариконд; е — дифференциальный; ж — многосекционный; з — варикап

 

Конденсаторы специального назначения. К ним относятся вариконды и варикапы. Вариконды представляют собой сегнетокерамические конденсаторы, имеющие резко нелинейную зависимость величины ёмкости от приложенного напряжения. Вариконды используют для управления параметрами цепей (умножители частоты и т.д.). В варикапах используют свойство р-n-перехода изменять свою толщину при переменном модулирующем и постоянном запирающем напряжениях. Варикапы применяют для частотной модуляции в диапазоне УКВ, а также для автоматической подстройки резонансной частоты колебательных контуров.

Конденсатор как законченное уст­ройство обладает рядом паразитных параметров. Эквивалентная схема конденсатора приведена на рис. 1.6.

 

Рисунок 1.6 - Эквивалентная схема конденсатора

 

где L — определяется конструкцией, размерами обкладок и огра­ничивает частотный диапазон применения, R_из — сопротивление изоляции, R_п — сопротивление потерь, поскольку под действием переменного поля изменяется состояние диэлектрика, на что тре­буются затраты мощности. Сопротивление R_пуказывает на то, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол меньше 90° в частотном диапазоне, в котором индуктивностью можно пренебречь.

Для количественной оценки потерь вводят тангенс угла диэлектрических потерь

tgδ = R_ПωC.

Значение tgδ зависит от вида диэлектрика, температуры и напряженности электрического поля. Он может изменяться с час­тотой и во времени. На практике для характеристики потерь пользуются понятием добротности конденсатора Q_c =1/ tgδ.

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется ко­эффициентом старения:

где t — время,

C_q — значение емкости непосредственно после изготовления.

Часто стабильность конденсаторов в зависимости от времени характеризуется граничными значениями емкости.

При длительном воздействии напряжения возможен пробой диэлектрика. В твердом диэлектрике наблюдаются следующие виды пробоев: электрический, ионизационный, тепловой и элек­трохимический.

Электрический пробой возникает при кратковременном при­ложении высокого напряжения. Свободным электронам в диэлек­трике сообщаются большие скорости и возможно их лавинное раз­множение. Напряжение пробоя зависит от температуры. В реальных условиях конденсаторы эксплуатируют при рабочих напряжениях ниже пробивного. Поэтому электрический пробой диэлектрика не относится к основным факторам, определяющим его долговечность.

Ионизационный пробой обусловлен наличием остаточных воздушных включений в толщи диэлектрика или в прослойках между диэлектриком и обкладками. Даже при небольших напря­жениях возникает большая напряженность электрического поля в создавшихся неоднородностях, что приводит к локальному про­бою, разрушению диэлектрика и к образованию в нем областей с ухудшенными свойствами.

Тепловой пробой происходит при длительном воздействии напряжения на конденсаторе. Возрастают потери, из-за неодно­родности диэлектрика в отдельных местах может возникать пере­грев, ухудшаются диэлектрические свойства и уменьшается на­пряжение пробоя.

Электрохимический пробой обусловлен электрохимически­ми процессами в диэлектрике при действии постоянного напря­жения и повышенной температуры. Ионы в диэлектрике вступа­ют во взаимосвязь с металлом обкладок, что приводит к образова­нию в толще диэлектрика проводящих нитей и возникновению пробоя. Для избежания этого необходимо тщательно выбирать материалы обкладок и диэлектрик.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости, пьезоэлектрическими эффектами. Акустические — обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.

 

К основным параметрам конденсаторов относятся:

1. Номинальное значение емкости конденсатора и допустимое отклонение действительной емкости от номинального значения (класс точности).

Значения номинальных емкостей конденсаторов стандартизированы и имеют значения, сосредоточенные в 7 рядах: Е3, Е6, ..., Е192.

В производстве используются Е3, Е6, Е12, Е24.

Конденсаторы ха­рактеризуются номинальной и фактической емкостью. Номиналь­ная емкость С_ном указывается заводом-изготовителем, а фактиче­ская С_ф определяется при данных температуре и частоте. Допусти­мое отклонение емкости задается в процентах:

 

По точности и отклонению емкости от номинального значе­ния конденсаторы разделяются на классы (табл. 1.2).

 

Таблица 1.2 - Деление конденсаторов на классы

Класс	0,01	0,02	0,05
Допуск, %	±0,1	±0,2	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	-10...+20	-20...+30	-20... +50

 

2. Номинальное напряжение – зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов

3. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδилидобротностьQ_c.

4. Температурный коэффициент ёмкости ТКЕ.

 

 

где С₀ – емкость конденсатора при нормальной температуре, ΔС - изменение емкости под влиянием температуры.

ТКЕ может быть отрицательным, нулевым и положитель­ным. Для обеспечения нулевого ТКЕ используют последователь­ное и параллельное соединения нескольких конденсаторов с раз­ным знаком ТКЕ.

5. Сопротивление изоляции и ток утечки, которые характе­ризуют качество диэлектрика и используются при расчетах высокомегомных, времязадающих и слаботочных цепей. Наименьший ток утечки имеют танталовые конденсаторы.

 

Конденсаторы переменной емкости по способу управления бы­вают механически или электрически управляемые. Подстроечные конденсаторы обычно имеют механическое управление и использу­ются в процессе регулировки аппаратуры. Так как емкость конденса­тора пропорциональна площади обкладок, диэлектрической прони­цаемости и обратно пропорциональна расстоянию между обкладка­ми, то при механическом управлении изменяется взаимное перекры­тие пластин. Одна обкладка выполняется в виде ротора, а вторая служит статором. Поэтому поворот ротора относительно статора вы­зывает изменение площади обкладок и изменение самой емкости.

По типу диэлектрика конденсаторы переменной емкости бы­вают: воздушные, керамические, слюдяные (твердый неорганиче­ский диэлектрик), полистироловые, полиэтиленовые (органический диэлектрик). Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используются в качестве подстроечных, ибо они не обеспечивают хорошей повторяемости значений емкости из-за наличия воздуш­ных зазоров между подвижными и неподвижными обкладками.

Конденсаторы с воздушными зазорами обладают высокой стабильностью и небольшими потерями, однако имеют большие габариты.

Переменные и подстроечные конденсаторы характеризуются максимальной С_макс и минимальной С_мин емкостями, коэффици­ентом перекрытия по емкости К = С_макс/С_мин, ТКЕ, tgδ, законом изменения емкости.

 

Система обозначений.

КТ – подстроечный конденсатор; КП – переменный конденсатор; КН – вариконд.

Катушка индуктивности.

 

Катушка индуктивности - это элемент электронной аппаратуры, функционирование которого определяется эффектом взаимодействия электрических и магнитных полей.

Такой эффект позволяет создать элемент имеющий реактивное сопротивление переменному току jωL и не оказывающий сопротивление постоянному току. L- индуктивность.

 

Классификация.

1. По постоянству значения индуктивности.

- перестраиваемые (вариометр);

- подстраиваемые;

- не перестраиваемые;

2. По конструкции.

- каркасные, бескаркасные;

- однослойные, многослойные;

- экранированные, неэкранированные;

- с сердечником, без сердечника;

- цилиндрические, кольцевые, броневые, спиральные.

Обозначение:

Катушка индуктивности имеет следующее позиционное обозначение – L.

 

а) б) в) г)

 

а- катушка индуктивности; б- катушка с отводами; в- катушка с сердечником (магнитодиэлектрический, ферритовый; г- подстраиваемая катушка

 

Основные параметры:

1. Индуктивность L и допуск на индуктивность.

Для однослойных катушек:

 

где D- диаметр катушки;

l- длина намотки;

w- число витков.

Для многослойных катушек:

 

где t- глубина намотки.

 

Для дальнейшего увеличения индуктивности в катушку вводят сердечник.

Индуктивность катушки с сердечником.

L_c = m_эфL,

где m_{эф –} эффективная магнитная проницаемость сердечника, которая зависит от начальной магнитной проницаемости и конструкции сердечника.

Допуск не нормируется, требуемая точность (±0,1%)¸(±30%).

2. Добротность Q– характеризует величину потерь (отношение реактивного сопротивления к активному сопротивлению).

Q=wL/R_L;

Реальные значения Q – (20¸600).

R_L = R₀ + R_q + R_C + R_CL + R_d

R₀ - омическое сопротивление катушки;

R_q – сопротивление потерь на вихревые токи;

R_C­ – сопротивление потерь в сердечнике;

R_CL – сопротивление потерь в собственной емкости;

R_d – сопротивление диэлектрических потерь;

3. Собственная емкостьC_L–емкость, измеренная на выводах, ее наличие приводит к ограничению собственной частоты.

4. Стабильность.

Температурная стабильность-

 

Добротная стабильность –

Временная стабильность –

 

 

Однослойные катушки – они могут быть с шаговой и рядовой обмоткой, такие катушки обычно используются на высоких частотах до 100 МГц.

Для увеличения добротности используют бескаркасные катушки либо выполненные на ребристых каркасах.

Также для увеличения добротности часто используют серебрение проводника. Для увеличения стабильности однослойных катушек используют горячую намотку либо воженную намотку, но при этом снижается добротность.

Многослойные катушки выполняют рядовой намоткой, произвольной, синусонированной либо универсальной намоткой.

Наличие большой собственной емкости ограничивает частоту до 2 МГц. Для увеличения добротности используют провод - лицендрат (несколько проводников в жгут и на конце спаиваются).

Спиральные катушки - имеют невысокую добротность, не большая индуктивность.

Экранированные катушки индуктивности.Экран необходим для снижения действия магнитного поля. Эффективность экранирования оценивается отношением H в определенной точке пространства с экраном и без экрана.

Для повышения эффективности экранирования, нужно использовать экраны с меньшим r (экраны с посеребрением). Эффективность увеличится с увеличение толщины стенки экрана, она также увеличится с ростом частоты.

Но наличие экрана приведет увеличению собственной емкости и к некоторому уменьшению индуктивности, уменьшению добротности.

Принято использовать экраны с диаметром: D_э= 2D_к

D_к – наружный диаметр катушки;

При этом L уменьшиться на 15-18%.

Катушки индуктивности с сердечником. Сердечники бывают из магнитных и не магнитных материалов.

Для высокочастотных катушек используют следующие материалы:

- магнитодиэлектрики;

- ферриты;

Магнитодиэлектрик – смесь порошка магнитного материала и диэлектрической связки. Такая структура позволяет снизить потери. Виды магнитодиэлектрических сердечников: магнетитовые сердечники; карбонильные сердечники; альсиферовые сердечники. Такие сердечники имеют высокую стабильность, малые потери и стоимость.

Ферритовые сердечники. Магнитомягкий феррит (имеет узкую петлю гистерезиса);

Используются никель – цинковые и марганце – цинковые ферриты.

Обозначение:

2000 Н Н 1.2000 – начальная намагниченность; Первая Н – низкочастотные, В – высокочастотные; Вторая Н - никель – цинковые, М - марганце – цинковые; 1 – порядковый номер разработки.

Немагнитные материалы. Используется диамагнетик, они имеют m<1. Используются для подстройки индуктивностей. Материал: латунь, алюминий, медь. При таких сердечниках индуктивность и добротность ниже, но они высокостабильные и недорогие.

Типы сердечников:

- цилиндрические;

- кольцевые;

- броневые;

Цилиндрические –имеют малое m_эф, используются для подстройки_.

Кольцевые–обеспечивают максимальную m_эф, малые габариты и малые поля рассеяния. Недостаток это сложность намотки и подстройки.

Обозначение:

К10 ´ 6 ´ 3. К – кольцевой; 10 – наружный диаметр (мм); 6 – внутренний диаметр (мм); 3 – высота (мм);

Броневой - обладает большой m_эф, для увеличения стабильности используют сердечники с зазором.

Обозначение:

Б – 6;

Б – броневой;

6 - наружный диаметр (мм);

Промышленность выпускает несколько типов катушек индуктивности. Катушки индуктивности без сердечников, которые делятся на катушки УКВ и КВ диапазона. Они обладают небольшой индуктивностью (до 200 мкГн), большой добротностью (до 100), высокой стабильностью (ТКL ≈ 150 x 10^-6 1/град).

Катушки индуктивности СВ и ДВ диапазона обладают большей индуктивностью (более 500 мкГн), меньшей добротностью, повышенным значением собственной емкости (до 70 пФ), ТКL> 10^-6 1/град. Большая индуктивность катушки обеспечивается изготовлением многослойной обмотки.

 

Тема 2. Полупроводниковые резисторы

Классификация и условное обозначение полупроводниковых резисторов Тип резисторов Условное обозначение Линейные…   Первые две группы полупроводниковых резисторов в соответствии с этой классификацией – линейные резисторы и варисторы –…

Варисторы

Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения и, обладающий нелинейной симметричной вольт –… Варисторы изготавливают методом керамической технологии, т.е. путем… Внешне варисторы оформляются в виде стержней или дисков.

Терморезисторы

Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого с ростом температуры падает (с отрицательным температурным коэффициентом… В термисторах (прямого подогрева) сопротивление изменяется или под влиянием… Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено следующими причинами –…

Тензорезисторы

Тензорезистор – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механической деформации. Назначение – измерение давлений и деформаций. Принцип действия полупроводникового тензоризистора основан на тензорезистивном эффекте – на изменении электрического…

Тема 3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1) По конструкции:

плоскостные диоды;

точечные диоды;

микросплавные диоды.

2) По мощности:

маломощные;

средней мощности;

мощные.

3) По частоте:

низкочастотные;

высокочастотные;

СВЧ.

4) По функциональному назначению:

выпрямительные диоды;

импульсные диоды;

стабилитроны;

варикапы;

светодиоды;

тоннельные диоды

и так далее.

Выпрямительные диоды.

Работа диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода. Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных… Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод…

Стабилитроны

Рабочим участком на ВАХ стабилитрона является зона электрического пробоя (рис. 1.6). Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний. Основные параметры стабилитрона[1…4]:

Варикапы

Рис.1.16.    

Параметры варикапа

С_ном ─ номинальная ёмкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения (U_см = 4 В);

С_мак─ ёмкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения;

С_мин─ ёмкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения;

К_с ─ коэффициент перекрытия, равный отношению С_макс / С_мин;

Q ─ добротность, равная отношению реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь;

U_макс. ─ максимально допустимое для варикапа напряжение.

 

Импульсные диоды

УГО импульсных диодов такое же, как у выпрямительных диодов. К специфическим параметрам импульсных диодов относятся: – время восстановления Tвосст – это интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на…

Диоды Шоттки

Особенностью такого контакта является то, что одна область является металлом, другая ─ полупроводником. Обмен электронами между металлом и… Преимуществом такого диода является практически полное отсутствие накопления… За счёт отсутствия Сдифдиоды Шоттки имеют хорошие переключающие свойства. Верхний предел частотного диапазона диода…

Туннельные диоды

Туннельные диоды появились в 1948 г. Интерес к туннельным диодам за последнее время ослабел: на его смену пришли более совершенные диоды, не… Диффузионная составляющая тока в пределах отрезка «оа» на ВАХ незначительна, и…  

ВАХ обращенного диода

Тема 4 Тиристоры.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p—n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

Классификация

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод. Как диодный так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя

р–п-переходами (рис. 1.28).

 

Крайние области р₁ и п₂ называются анодом и катодом, соответственно, с одной из средних областей р₂ или n₁ соединен управляющий электрод. П₁, П₂, П₃ – переходы между

I

пр

+

Е

R

Uпр

Iy

+

–

–

3

p

p

n

n

П

П

П

К

Б

Э

Э

Б

К

n

n

p

p

p

n

R

э

к

б

э

к

б

R

а)

б)

Uy

Рис. 1.28. Структура (а) и двухтранзисторная схема замещения (б) триодного тиристора

p- и n-областями.

 

Принцип действия

При дальнейшем повышении напряжения Uпр под влиянием нарастающего электрического поля в переходе П2 происходит резкое увеличение количества… … Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис. 1.28, вводятся в слой р2 вспомогательной…

Тема 5. Выпрямители

  Выпрямитель - это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.  

Для двухполупериодного -

.

 

При росте тока нагрузки кривая 2 падает более резко, поскольку падение происходит также за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление, что снижает напряжение на нагрузке.

3 – Выпрямитель с Г-образным RC-фильтром. Дополнительное снижение напряжения вызвано падением напряжения на последовательно включенном резисторе R_ф.

Тема 6. Элементы Оптоэлектроники

Источники оптического излучения: принцип действия, основные параметры, характеристики Источником оптического излучения называют устройство, преобразующее любой вид… Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:

Маркировка светодиодов

Характеристики полупроводниковых материалов

При рассмотрении процесса излучения света источником либо его поглощения фотодиодом свет рассматривается с квантовой точки зрения. Частицы света… Существует связь энергии фотона Еф и параметров световой волны: Еф= h*f, где…  

Тема 7. Магнитоуправляемые элементы.

Простейший датчик состоит из магнитоуправляемой микросхемы (МУМС) и постоянного магнита, укрепленного на подвижном звене контролируемого объекта.… При разработке датчиков учитывают известные закономерности действия магнитного… Магнитные датчики применяют в бесконтактной клавиатуре, вентильных электродвигателях, автоматических устройствах…

Датчик Холла

Датчики Холла широко используются там, где требуются высокая точность и надежность. Они находят применение в безколлекторных двигателях, измерителях… Эффект Холла заключается в возникновении напряжения в проводнике с током в… Выходные каскады датчиков могут быть различных типов - аналоговые, когда выходной сигнал пропорционален магнитному…

Магниторезисторы

Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результа­том одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К… Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно… «Монолитные» магниторезисторы. Принцип действия монолитных магниторезисторов основан на эффекте Гаусса, кото­рый…

Рис. 1. Магнитодод КД304.

В основе работы магнитодиода лежит магнитодиодный эффект, возникающий при помещении полупроводника с неравновесной проводимостью в магнитное поле B. Магнитодиодный эффект может наблюдаться в любой полупроводниковой структуре, в которой создана положительная или отрицательная неравновесная проводимость.

 

Рис. 2. Структура магнитодиода.

От обычных полупроводниковых диодов магнитодиод отличается тем, что он изготавливается из высокоомного полупроводника, проводимость которого близка к собственной, а длина базы d в несколько раз больше длины диффузного смещения носителей L. В обычных диодах d меньше L.

На рис. 3 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) «торцевого» магнитодиода.

 

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика магнитодиода.

В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжение происходит не на p-n-переходе, как в обычном диоде, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле B, то произойдёт увеличение сопротивления базы. Это приведёт к уменьшению тока через магнитодиод (см. рис. 3).

Свойства магнитодиодов характеризуются вольтовой и токовой магниточувствительностью.

Вольтовая магниточувствительность γ_U определяется изменением напряжения на магнитодиоде при изменении магнитного поля на 1 мТл и постоянном значении тока через магнитодиод.

Токовая магниточувствительность γ_I определяется изменением тока через магнитодиод при изменении магнитного поля на 1 мТл и при постоянном (неизменном) напряжении на магнитодиоде.

Условное графическое обозначение (УГО) магнитодиода приведено на рис. 4.

 

Рис. 4. УГО магнитодиода.

 

Применение магнитодиодов

Из сказанного выше понятно, что для использования магнитодиодов требуется источник постоянного или переменного магнитного поля. В качестве такого источника могут применяться постоянные магниты или электромагниты. Магнитодиоды следует устанавливать таким образом, чтобы магнитные силовые линии были перпендикулярны боковым граням полупроводниковой структуры.

Допускается работа магнитодиодов при последовательном соединении. При необходимости эксплуатации магнитодиодов в условиях относительной влажности окружающей среды до 98% и при температуре 40 °С рекомендуется дополнительная герметизация с помощью компаундов на основе эпоксидных смол.

Магнитодиоды применяются в таких устройствах, как

Бесконтактная клавиатура

Датчики движущихся предметов

Датчики постоянного тока

Бесконтактные реле тока

Устройства для считывания информации

Преобразователи магнитных полей

Преобразователи угла

Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Магнитодиодные усилители

Реле уровня

Магнитотранзисторы

Магнитотранзисторами (МТ) называются транзисторы, конструктивные и рабочие параметры которых оптимизированы для получения максимальной… В зависимости от того, параллельно или перпендикулярно технологической…  

Тема 8. Биполярные транзисторы

 

Устройство и принцип действия

Выпускаемые в настоящее время биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам: Ø по материалу: германиевые и кремниевые; Ø по виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;

Схемы включения биполярных транзисторов

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов (электрод) является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Эти схемы для транзистора типа р-n-р приведены на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора (в активном режиме) полярность включения источников питания должна быть выбрана так, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

 

 

Рисунок 3 – Схемы включения биполярных транзисторов: а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (рис. 4.4, а). Выходной характеристикой является зависимость: IК = f(UКБ) при IЭ = const (рис. 4.4, б).

Основные параметры

Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме ОЭ, характеризуется величинами IБ, IБЭ, IК, UКЭ. В систему h − параметров входят следующие величины: 1. Входное сопротивление

Режимы работы биполярных транзисторов

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование и т.п.).

Область применения

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.

Простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе

Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзисторVT и резистор Rк. Эти элементы образуют главную (выходную)… Остальные элементы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является…  

Тема 9. Полевые транзисторы

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок).… По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде… В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа.…

Полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом

Устройство и принцип действия

  Рисунок 5.1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом…  

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-n- переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Они отражают зависимость тока…   а) б)

Основные параметры

· максимальный ток стока Iс max (при Uзи = 0);

· максимальное напряжение сток-исток Uси max;

· напряжение отсечки Uзи отс;

· внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

при Uзи = const;

· крутизна стоко-затворной характеристики:

при Uси = const,

отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;

· входное сопротивление при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-n- переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Устройство и принцип действия

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда… Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости… Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа…

Статические характеристики МДП - транзисторов

При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи < 0 поле затвора… При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны… Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic = f(Uзи) приведена на рис. 5.4, б.

Основные параметры МДП - транзисторов

Параметры МДП - транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом.

Что касается входного сопротивления то МДП - транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у них составляет rвх = 1012 … 1014 Ом.

 

Область применения

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.

 

Основные схемы включения полевых транзисторов

 

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 5.7).

 

 

Рисунок 5.7 – Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС

 

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

Простейший усилительный каскад на полевых транзисторах

    Рисунок 5.9

Тема 10. Составные транзисторы.

1. Схема Дарлингтона. Она характеризуется тем, что входные цепи всех входящих в нее транзисторов соединены последовательно, а выходные цепи –… Коллекторный ток транзистора VT1: , (3.62) где – коэффициент усиления по току транзистора VT1.