Файл: Учебнометодический комплекс по дисциплине электрооборудование фармацевтического производства для специальности 5В074800 Технология фармацевтического производства.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.01.2024

Просмотров: 212

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Караганда

Тема 7 Импульсные и цифровые устройства Импульсная техника – раздел электроники, предметом которого является разработка теоретических основ, практических методов и технических средств генерирования, преобразования и измерения параметров электрических импульсов, а также исследование импульсных процессов в электрических цепях. Наиболее часто в импульсных электронных устройствах используются импульсы прямоугольной (рис. 34,а), трапецеидальной (рис. 34,б), треугольной (рисунок 34,в) и экспоненциальной (рис. 34,г) формы. Импульсы, формы которых приведены на рис. 34,а…г, являются идеализированными. Форма реальных импульсов не является геометрически правильной из-за нелинейности характеристик полупроводниковых приборов и влияния реактивных сопротивлений в схемах. Поэтому реальные прямоугольные импульсы, наиболее часто используемые в практических импульсных схемах, имеют форму, приведенную на рис. 34,д.Участки быстрого нарастания и спада напряжения или тока называются фронтом и срезом импульса, а интервал, на котором напряжение или ток изменяются сравнительно медленно,- вершиной импульса.Активные длительности фронта τфа и среза τса определяются между уровнями 0,1Um и 0,9Um, где Um – амплитуда импульса. Активная длительность вершины τа оценивается на уровне 0,5Um. Импульс, показанный на рис. 34,д, имеет обратный выброс с амплитудой Um обр. Кроме того, на его вершину наложены затухающие синусоидальные колебания, который, как правило, возникают из-за наличия в схеме паразитных колебательных цепей, образованных распределенными индуктивностями и емкостями. Рисунок 34Упрощенная форма реального прямоугольного импульса показана на рис. 34,е. Спрямленные отрезки ab, bc, cd отображают соответственно фронт, вершину и срез импульса, а отрезки de и ef – нарастание и спад обратного импульса. Скорость нарастания напряжения или тока на рис. 34,е характеризуется крутизной фронта импульса, а убывание напряжения или тока на вершине относительным снижением.Одним из важнейших показателей импульсных сигналов является длительность импульсов. Помимо указанного параметра τа, определяющего активную длительность вершины на уровне 0,5Um, длительность импульса характеризует время tи, определяемое либо на уровне 0,1Um, либо по основанию импульса (рис. 34,е).К основным параметрам импульсов относится период повторения импульсов Т – интервал времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой следования импульсов ν. Часть периода Т занимает пауза tп – отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов tп = T – tи.Отношение длительности импульса к периоду повторения называется коэффициентом заполненияВеличина, обратная коэффициенту заполнения, называется скважностью импульсовКачество работы импульсных устройств во многом определяется временем восстановления импульса tвос (рис. 34,е). Чем меньше tвос, тем надежнее работает схема, тем выше ее быстродействие.Мультивибраторы. Одним из наиболее распространенных генераторов импульсов прямоугольной формы является мультивибратор, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. Одна из наиболее простых и типичных схем мультивибратора приведена на рис. 35. Элементы схемы подобраны так, чтобы обеспечить идентичность каждого из усилительных каскадов, собранных на однотипных транзисторах VТ1, VT2. При R1 = R4, R2 = R3, C1 = C2 и одинаковых параметрах транзистора мультивибратор называется симметричным. Рисунок 35На рис. 36 приведены временные диаграммы токов, протекающих в транзисторах, и напряжений на коллекторах и базах транзисторов. Исходный момент t0 соответствует тому случаю, когда транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 открыт. Моменты t1, t2, t3 соответствуют переключению схемы. Рисунок 36Базовые логические элементы. Применение двоичной системы счисления в цифровой электронике обеспечивает более высокую скорость выполнения операций и более высокую надежность электронной аппаратуры, т.к. элементной базой для ее построения служат элементы с двумя устойчивыми состояниями. Для описания алгоритмов работы цифровых устройств используется соответствующий математический аппарат, получивший название булевой алгебры или алгебры логики. Каждую конкретную комбинацию значений аргументов называют набором. При n аргументах существует 2n наборов. Для краткости набор записывается в виде двоичного числа, цифрами которого являются значения переменных, расположенных в определенном порядке. Двоичное число, представляющее набор, называется номером набора и обозначается α.. При n аргументах совокупность всех значений функции на 2n наборах содержит 2n нулей и единиц. Каждой функции соответствует своя комбинация этих 2n значений. Общее количество всех возможных функций n аргументов определяется числом .Логические функции одной переменной приведены в таблице 1,Таблица 1

Тематика рефератов:



, (23)

где - температурный потенциал.

Контактная разность потенциалов зависит от:

- ширины запрещенной зоны полупроводника, при одинаковых концентрациях примесей она выше у полупроводников с большей шириной запрещенной зоны;

- концентрации примесей в смежных областях полупроводника. При их увеличении контактная разность потенциалов возрастает;

- температуры полупроводника. При ее увеличении контактная разность потенциалов уменьшается.

Прямое включение p-n перехода

При подключении к р-n переходу внешнего электрического поля динамическое равновесие токов через переход нарушается. поведение перехода при этом зависит от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности потенциалов, то такое включение р-n перехода называется прямым (рис. 15,а).

При |Uк| = |Uпр| толщина р-n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении Uпр запирающий слой исчезает. Вследствие этого электроны и дырки начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника.

Через переход протекает ток, который называется прямым. Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией.

В несимметричном р-n переходе, когда концентрация электронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в р-области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В этом случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называется эмиттером, а область, в которую инжектируются носители,- базой.

Рисунок 15
Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к р-n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи –
прямого тока.

Обратное включение p-n перехода

При обратном включении р-n перехода внешнее напряжение приложено знаком «+» к n-области (рис. 16,а). Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера (рис. 16,б).

Сопротивление р-n перехода для прохождения тока основных носителей увеличивается. Происходит изменение в соотношении токов через р-n переход. Диффузионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом потенциального барьера стремится к нулю.

Рисунок 16
Для неосновных носителей заряда поле в р-n переходе остается ускоряющим, они захватываются им и переносятся через р-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещенный р-n-переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током IT.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток р-n перехода

Iобр = Iдиф – IТ. (24)

При |Uвн| >> Uк током основных носителей можно пренебречь. Поэтому тепловой ток IT в этом случае называют током насыщения.

Таким образом, р-n обладает вентильными свойствами:

- при приложении прямого напряжения через переход протекает электрический ток, значение которого при повышении напряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Сопротивление перехода минимально;

- при смещении р-n перехода в обратном направлении его сопротивление возрастает, и через переход протекает малый тепловой ток.

Вольтамперная характеристика р-n перехода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n перехода представляет собой зависимость тока через переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитически ВАХ представляется экспоненциальной зависимостью

, (25)

где I0 – обратный ток насыщения p-n перехода, который определяется физическими свойствами полупроводника и имеет небольшую величину.

Вольтамперная характеристика показана на рис. 17 и отражает физические процессы в р-n переходе.

Рисунок 17
При прямом смещении (Uпр > 0) р-n-переход имеет малое сопротивление и через него протекает прямой ток.

При (точка 1) потенциальный барьер исчезает и характеристика представляет собой почти прямую линию, наклон которой определяется сопротивлением базы.

При обратном смещении сопротивление перехода велико и через него протекает небольшой обратный ток, приближающийся по величине к значению I0.

Таким образом, р-n переход характеризуется свойством односторонней проводимости. Это позволяет использовать р-n-переход как выпрямитель переменного тока.

Параметрами ВАХ являются:

- Rдиф – дифференциальное сопротивление при прямом смещении:

; (26)

R0 = Rст – сопротивление постоянному току.

. (27)

Пробой р-n перехода

Резкое возрастание обратного тока р-n перехода при достижении обратным напряжением определенного критического значения называется пробоем р-n перехода. Различают два вида пробоя перехода: электрический и тепловой.

При электрическом пробое количество носителей в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки. Различают следующие виды электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.

Если переход сохраняет свои свойства после пробоя при уменьшении обратного напряжения, то такой пробой называется обратимым. К обратимым относятся лавинный и туннельный пробои.

Если пробой приводит к выходу р-n перехода из строя, то его называют необратимым. Необратимый пробой бывает двух видов: тепловой и поверхностный.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, имеет два вывода и нелинейную ВАХ.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n переходов.

Полупроводниковые диоды классифицируются по типу исходного материала, конструктивно-технологическим особенностям, назначению и пр.


По типу исходного материала диоды бывают германиевые, кремниевые, селеновые, карбид-кремниевые, арсенид-галлиевые и др.

По конструктивно-технологическим особенностям диоды бывают точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шотки, поликристаллические и др.

По назначению диоды делятся на

- выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;

- стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющих на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока;

- варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;

- импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;

- туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;

- сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;

- светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;

- фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Биполярные транзисторы. Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа «p-n-p» и «n-p-n» (рис. 18).

Область транзистора, расположенная между р-n переходами, называется базой. Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называется эмиттером, а соответствующий переход – эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называется коллектором, а переход – коллекторным.


а) б)
Рисунок 18
По применяемому материалу транзисторы делятся на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутренне электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называются
диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называются дрейфовыми. Кроме того, концентрация атомов примесей в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

Режимы работы биполярного транзистора.

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на выводы транзистора, различают следующие режимы его работы:

- активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный – в обратном направлении (закрыт);

- режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении;

- режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении;

- инверсный режим – коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим для входной и выходной цепей различают три схемы включения (рис. 19):

- с общей базой (ОБ);

- с общим эмиттером (ОЭ);

- с общим коллектором (ОК).

Рисунок 19
Принцип действия биполярного транзистора.

Под действием внешнего напряжения (рис. 20) Uэб эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а под действием Uкб коллекторный переход – в обратном.

При увеличении Uэб снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода, а так как концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Это вызывает протекание токов инжекции: Iэn – электронного и Iэр – дырочного. Т.к. число дырок в области базы значительно меньше количества электронов в области эмиттера, то Iэр << Iэn .

Для количественной оценки составляющих полного тока эмиттерного перехода вводят параметр – коэффициент инжекции (эффективность эмиттерного перехода):

, (28)

который показывает, какую долю от общего тока эмиттера составляет ток инжектированных в базу носителей заряда.

На практике γ = 0,98…0,995. Дырки, инжектированные из области базы в область эмиттера, полностью рекомбинируют.

Смотрите также файлы