Элементная база электронной и микропроцессорной техники

Промышленная электроника − это область технической электроники, которая занимается применением электровакуумных и полупроводниковых приборов и созданных на их основе разнообразных систем в промышленности. Основные направления промышленной электроники:     

− информационная электроника (вычислительная и информационно-измерительная техника, устройства автоматики);  

− энергетическая электроника (мощные электровакуумные и полупроводниковые преобразователи электрической энергии);

− электронная технология (применение электронных и ионных пучков, высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковое резание и сварка).

Полупроводниковые химические элементы (германий, кремний) относятся к четвертой группе таблицы Менделеева и в чистом виде имеют высокое удельное электрическое сопротивление. Если к чистым полупроводникам ввести примеси вещества пятой группы таблицы Менделеева (фосфор, мышьяк), то атомы примеси легко ионизируются, отдавая пятый электрон. В материале возникают свободные электроны, а в узлах кристаллической решетки получаются неподвижиные дополнительные заряды − ионы примесей. Такие материалы, в которых основными носителями зарядов есть электроны, называют полупроводниками n -типа.

При внесении в полупроводниковый материал примесей третьей группы (алюминия, бора, индия) атомы таких примесей легко забирают на свои локальные энергетические уровни электроны из валентной зоны атомов основного материала. Вследствие этого возникает отрицательный ион примеси, а на месте оборванной валентной связи основного атома − дополнительный заряд, так называемая дырка. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов есть дырки, называют полупроводниками р -типу.

Электронно-дырочный переход − это зона на границе двух полупроводников с р - и n -проводниками. Если приложить к р-n -переходу постоянное напряжение прямого направления ("+" к полупроводника р -типа и "−" к полупроводнику n -типа), то при напряжениях U > 0,3÷0,5 В сопротивление перехода становится маленьким и он легко проводит ток. Если же приложить к р-n -перехода напряжение обратного направления − то сопротивление переходу становится очень большым и ток через переход практически отсутствует.  

Полупроводниковые (п/п) приборы можно разделить на: п/п резисторы, п/п фотоэлектронные устройства, п/п диоды, биполярные транзисторы, полярные транзисторы, тиристоры, п/п интегральные микросхемы и комбинированные п/п приборы.

К п/п резисторам принадлежат: линейные резисторы с неизменным сопротивлением, варисторы (сопротивление зависит от приложенного напряжения), терморезистори (сопротивление зависит от температуры), фоторезисторы (сопротивление зависит от освещенности резистора) и тензорезистори (сопротивление зависит от деформации базы резистора).      

П/п диоды − это п/п приборы с двумя выводами и одним р-п -переходом. Среди них наиболее широко используют в технических устройствах выпрямительные диоды, стабилитроны, фото- и светодиоди.

Основное свойство выпрямительных п/п диодов, − пропускать ток в прямом и не пропускать в обратном направлениях, − используют для выпрямления переменного тока специальными устройствами − выпрямителями. По мощности выпрямительные диоды делятся на диоды малой мощности (), средней мощности () и большой мощности с прямым током от 10 до 1000 А и больше.

Стабилитроны − это диоды с низким напряжением пробоя. Они работают на обратной части вольт-амперной характеристики и используются для стабилизации напряжения на приемниках небольшой мощности.

Фотодиоды изменяют свою вольт-амперную характеристику в зависимости от освещенности и могут использоваться для регулирования тока в нагрузке с изменением освещенности (режим фотопреобразователя) или для преобразования световой энергии в электрическую (режим фотогенератора).    

Светодиоды излучают световые лучи при протекании по них тока прямого направления и широко используются в световых индикаторах разного типа.

Биполярный транзистор − это прибор, который имеет три области с разными типами электропроводности, два р-п -перехода и три вывода − эмиттер, база, коллектор. Биполярным этот прибор называется потому, что ток в нем создается носителями зарядов двух типов − электронами и дырками. Возможные два варианта чередования структур в транзисторах, в соответствии с которыми существуют транзисторы типов р-п-р и п-р-п. Биполярные транзисторы используют для усиления электрических сигналов.    

Коэффициент передачи тока α от эмиттера к коллектору  в современных транзисторов находится обычно в границах . Коэффициент передачи тока от базы к коллектору

Конечно , но он может быть и большим. Приблизительно .

Возможны три схемы соединений транзистора как усилительного устройства с тремя выводами: схема с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Наиболее широко используется в усилителях схема соединений с общим эмиттером, поскольку она обеспечивает наибольший коэффициент усиления по мощности.

Биполярные транзисторы выпускаются на ток в цепи коллектора от для маломощных транзисторов  для транзисторов большой мощности.            

В полевых транзисторах протекание тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака (то есть или электронов, или дырок) в продольном электрическом поле через управляемый канал п - или р -типу. Управление током в канале осуществляется поперечным электрическим полем, а не входным током, как в биполярных транзисторах. Благодаря этому полярные транзисторы почти не потребляют тока в входной цепи. В устройствах промышленной электроники используют полярные транзисторы двух типов: с затвором в виде р-п -переход и с изолированным затвором.

Полярные транзисторы с изолированным затвором называют также МДП − транзисторами (металл − диэлектрик − полупроводник). Поскольку диэлектриком в МДП − транзисторах служит оксид, то их еще называют МОП − транзисторами (металл − оксид − полупроводник). МДП − транзисторы значительно более простые в изготовлении и занимают меньшую площадь поверхности кристалла, чем биполярный транзистор. Поэтому именно МДП − транзисторы широко используются для изготовления интегральных схем.

Биполярные полевые транзисторы дают возможность изменением напряжения на входе плавно менять ток в выходной цепи.

Тиристоры − это полупроводниковые управляемые приборы с тремя и больше р-п -переходами, которые способны под действием сигнала управление переходить от закрытого (непроводящего) состояния к открытому (проводящему). Этот переход происходит скачкообразно, поэтому тиристоры работают как электронные ключи. Два вывода тиристора (анод и катод) есть силовыми, а на третий вывод подается сигнал управления малой мощности. Тиристор переходит к проводящему состоянию, если на силовые его выводы подать прямое напряжение ("+" на анод и "−" на катод) и на управляющий электрод подается напряжение управления нужной величины и полярности. Тиристор переходит в непроводящее состояние, если напряжение на его силовых выводах становится обратным. Изменяя сдвиг по фазе между силовым напряжением и напряжением управления можно изменять время пребывания тиристора в открытом состоянии за один цикл появления на его силовых выводах напряжения прямого направления.        

Мощные тиристоры могут пропускать средний прямой ток до 1000÷2000 А при напряжении от 100 до 4000 В.

Двухоперационый тиристор можно перевести к непроводящему состоянию изменением полярности сигнала управление. Но эти тиристоры имеют меньшие предельные токи и напряжения, чем обычные тиристоры.   

Тиристоры используют для создания регулируемых выпрямителей, то есть преобразователей, которые обеспечивают преобразование переменного напряжения в постоянное с регулированием уровня этого напряжения. Тиристоры широко используют так же в инверторах, которые превращают постоянный ток в переменный, то есть выполняют функцию обратную функции выпрямителей, и в других преобразовательных устройствах.

Интегральная микросхема − это микроэлектронное изделие, которое имеет большую плотность размещения электрически соединенных элементов малой мощности, которые представляют собой единое целое, изготовленные в едином технологическом процессе и размещенные в едином герметическом корпусе.

Преимуществами аппаратуры на ИМС есть их высокая надежность и технологичность, маленькая масса и габариты. Средний срок безотказной работы микроэлектронного устройства, созданного на базе полупроводниковых интегральных микросхем, которые содержит 10⁸÷10⁹ элементов, достигает 5÷10 тысяч часов. ИМС выпускаются массово и потому относительно дешевые.

Интегральные микросхемы выполняют разнообразные функции преобразования и обработки сигналов. Примерами таких функций могут быть преобразование аналоговой информации в цифровую форму (то есть в соответствующее число, код которого выставляется на выходах ИМС) и обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый сигнал; превращение частоты в постоянное напряжение; преобразование постоянного напряжения в переменную с определенной частотой; преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное напряжение определенных частот для управления электромикродвигателями; преобразование интенсивности светового сигнала во время экспозиции фотоматериалов и т.п. На базе ИМС изготовляют также операционные усилители, логические и цифровые устройства, запоминающие устройства, микропроцессоры.

 

ВЫПРЯМИТЕЛИ

 

Выпрямители используют для преобразования переменного напряжения электрической сети в постоянное напряжение нужного уровня.

Обычно выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной (диодной) группы, сглаживающего фильтра и, в случае необходимости, стабилизатора напряжения. Главным элементом выпрямителя является вентильная группа. Другие элементы могут быть отсутствующими.

Показатели качества работы выпрямителя оцениваются коэффициентом пульсаций выпрямительного напряжения, стабильностью исходного напряжения, коэффициентом полезного действия. При выборе схемы выпрямителя следует учитывать ее сложность (простоту) и стоимость ее реализации. Для питания электронных устройств обычно необходимо обеспечивать коэффициент пульсации по первой гармонике   р ₁ = 0,02÷0,05.  

Наиболее распространенной схемой выпрямителя является однофазная мостовая схема на четырех диодах, в которой среднее и действующее значения выпрямленного напряжения описываются уравнениями   

,

где U _{2 m} – амплитуда напряжения питания вентильной группы. Коэффициент пульсации р и коэффициент пульсации по первой гармонике р ₁ исходного напряжения в мостовой схеме без сглаживающего фильтра соответственно равняются  и , где т − кратность частоты пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети.

Применение выпрямителей с питанием вентильных групп от трехфазных трансформаторов разрешает:

− уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения;

− уменьшить расчетную мощность трансформатора;   

− создать одинаковую нагрузку для всех трех фаз сети, которая имеет важное значение в случае большой мощности выпрямителя.

Наименьшие значения коэффициента пульсации дает применение трехфазной мостовой схемы, вентильная группа которой состоит из шести диодов. Коэффициент пульсации р и коэффициент пульсации по первой гармонике р ₁ исходного напряжения в трехфазной мостовой схеме без сглаживающего фильтра соответственно равняются р =0,14 и .

Ни одна из схем выпрямления без сглаживающих фильтров не обеспечивает коэффициент пульсации с первой гармоникой р ₁ = 0,02÷0,05, необходимый для питания современных электронных устройств. Поэтому для уменьшения пульсаций исходного напряжения выпрямителя используют сглаживающие фильтры.

Простейшим фильтром является конденсатор, который включают параллельно нагрузке. Тогда напряжение на нагрузке u_d пульсирует значительно слабее, чем напряжение u ₂ трансформатора питания. В процессе работы конденсатор периодически заряжаеться, если ЭДС е ₂ трансформатора становится больше напряжения на конденсаторе и_d и разряжается на нагрузку R, если е ₂ < u_d. Ток через вентили протекает теперь импульсами и только во время заряда конденсатора. Ясно, что импульсы тока через диоды могут значительно превышать средний прямой ток диода. Наибольший же импульс тока через диоды проходит сразу после включения трансформатора в сеть, если конденсатор еще не заряжен. Поэтому чисто емкостный фильтр применяют, если мощность нагрузки Р <300 Вт.

Для приемников с мощностью Р >300 Вт используют сглаживающие индуктивные фильтры, которые представляют собой дроссель L_Ф, включенный последовательно с нагрузкой R. Вследствие электромагнитной инерционности цепи L_Ф − R ток і_d изменяется с опозданием по отношению к напряжению, не успевая уменьшиться до нуля и пульсации тока значительно уменьшаются. Эффективно можно уменьшать пульсации с помощью комбинированных L-С фильтров. В них параллельно сопротивлению нагрузки включается конденсатор. Можно включить еще один конденсатор перед дросселем, на выходное напряжение вентильной группы. Это дает возможность уменьшить габариты и массу дросселя.

Внешние характеристики выпрямителей представляют собой зависимости среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки. Наклон внешней характеристики определяет стабильность исходного напряжения выпрямителя при колебаниях нагрузки. В случае однофазного мостового выпрямителя с простым конденсаторным фильтром в зависимости от сопротивления нагрузки выходное напряжение может меняться почти в полтора раза, причем с увеличением тока нагрузки возрастают и пульсации выпрямленного напряжения. Поэтому использование простого конденсаторного фильтра неприемлемо с точки зрения стабильности напряжения, если нагрузка выпрямителя в процессе работы изменяется.

 

УСИЛИТЕЛИ

 

Усилители - это устройства, которые позволяют с помощью входного сигнала малой мощности управлять передачей значительно большей мощности от источника питания к нагрузке. Простейшая ячейка, которая разрешает осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Свойства усилителя характеризуют коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности:

Коэффициенты   и  - комплексные величины, поскольку выходные и входные напряжения и токи сдвинуты между собою по фазе вследствие наличия реактивных сопротивлений в цепях усилителя и нагрузки. Если усилитель многокаскадний, то общий коэффициент усиления (,   К_Р) равняется произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов .

Входной периодический сигнал произвольной формы можно представить как сумму гармонических составляющих сигналов, которые имеют разную частоту и усиливаются с разными коэффициентами усиления. Поэтому выходной сигнал не будет линейно отвечать входному. Такие искажения сигнала называют частотными. Кроме того, гармонические составляющие сигнала получают при усилении разные угловые сдвиги между входными и выходными значениями, которые предопределяет появление фазовых искажений.

Для оценки частотных искажений используют амплитудно-частотную характеристику, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты f. В зоне низких f_н и высоких f_в частот коэффициент усиления К уменьшается. Диапазон частот , в котором значения коэффициента усиления К_п есть постоянными и близкими к максимальному значению, называют условной полосой пропускания усилителя.

Фазовые искажения усиливаемого сигнала оцениваются фазочастотной характеристикой усилителя, - зависимостью угла фазового сдвига φ между выходным и входным напряжением усилителя от частоты f.

Зависимость   называют передающей характеристикой каскада, созданного на транзисторе с общим эмиттером. Эту характеристику можно аппроксимировать тремя участками, из которых лишь средний участок ІІ обеспечивает усиление входного сигнала без искажений. Если входное напряжение усилителя u_вх непосредственно подается на вход база-эмитер, и_вх = и_бэ, усилитель работает в классе усиления В. На выход передается сигнал только одной полярности (и_бе >0). Если использовать усилитель класса В для усиления двуполярного сигнала, то форма входного напряжения во время передачи будет искажаться, а часть информации безвозвратно теряться.

Во время работы в классе усиления А на вход усилителя одновременно с входным сигналом и_вх (t) подается напряжение смещения, так что . Благодаря смещению выходный сигнал практически без искажений воссоздается на выходе, если значение и_бэ всегда отвечают среднему участку передающей характеристики.

Во время работы в ключевом режиме (режим большого выходного сигнала) изменение входного напряжения охватывает все участки передающей характеристики каскада. Такой режим работы каскада находит широкое применение в импульсной технике для передачи импульсов прямоугольной формы, если амплитуда импульса не является важной. Транзистор в режиме ключа - это по сути релейный элемент, способный коммутировать лишь одну цепь.

Для перевода усилителя в класс усиления А необходимо включить на входе последовательно с входным напряжением источник напряжения смещение, а чтобы избежать протекания тока в нагрузке при отсутствии входного сигнала в цепи нагрузки, следует включить последовательно с нагрузкой компенсирующие напряжение, которое уменьшало бы ток в нагрузке в режиме покоя, то есть при и_вх = 0, до нуля. Для избежания осложнения схемы с большим количеством дополнительных источников питания на практике используют разные схемы усилителей.

При нахождении транзистора в режиме покоя вследствие нагревания транзистора током происходит произвольное увеличение тока в цепи коллектор-эмиттер, так называемый дрейф нуля. Для предотвращения этого явления применяют дифференцированные каскады с мостовой схемой включения транзисторов. Дифференцированные усилители обеспечивают практическое отсутствие дрейфа нуля, но при условии полной идентичности элементов, которые образовывают плечи моста. Эту идентичность можно обеспечить лишь при применении интегральных технологий, поэтому дифференцированные усилители являются одним из универсальных элементов интегральных схем.

Наиболее распространенной усилительной интегральной микросхемой есть операционный усилитель (ОУ). Идеальный ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению , большое входное сопротивление  и малое выходное сопротивление . ОУ усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составной. Дрейфь нуля ОУ очень маленький. Поскольку в ОУ используют дифференцированные усилители, они имеют два входа - прямой и инвертирующий. Вследствие подачи входного напряжения и_{вх 1} на прямой вход , а вследствие подачи и_{вх 2} на инвертирующий вход . При наличии входных напряжений на обоих входах . Для повышения стабильности коэффициента усиления и расширения линейного участка передающей характеристики операционные усилители используют лишь при наличии отрицательной обратной связи, для чего часть исходного напряжения подают на инвертирующий вход усилителя.