Электротехнике и электронике

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО

ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

(элементная база современной электроники)

Барнаул - 2010

УДК 621.3

Коротких В.М., Мещеряков Ю.Г., Халина Т.М. Учебно-методические материалы к лабораторным работам по электротехнике и электронике(элементная база современной электроники). / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова.-Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010.- 23 с.

В работе представлены учебно-методические материалы для выполнения лабораторных работ связанных с изучением элементной базы современной электроники, а также имеют теоретические сведения и тестовые задания контроля знаний.

Методические материалы предназначены для студентов неэлектротехнических специальностей.

Рассмотрены и одобрены на заседании

кафедры общей электротехники

Протокол № 5 от 29.01.2010 г.

Рецензент: Заведующий кафедрой электрификации и автоматизации сельского хозяйства Алтайского государственного аграрного университета, доктор техн. наук, профессор А.А. Багаев

ЛАБораторная работа № 1

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с элементной базой электроники, видами, наименованием, назначением, классификацией, условными обозначениями, способами применения основных элементов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Введение

Электронный блок или электронное устройство содержит практически все основные элементы — резисторы, конденсаторы, а также полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, интегральные схемы (ИС) и микро-ЭВМ.

Диоды и транзисторы используются для выпрямления или усиления сигналов. Поэтому их принято называть активными элементами. В отличие от них резисторы и конденсаторы служат только для передачи или ограничения сигналов. В этой связи их принято называть пассивными элементами.

Рисунок 1. Конденсатор постоянной ёмкости -1, переменный конденсатор -2, электролитический конденсатор - 3, постоянный резистор -4, переменный резистор -5, терморезистор – 6

Эквивалентная емкость параллельно соединенных конденсаторов: ;

При последовательном соединении: ;

Электронику подразделяют на аналоговую и цифровую. По области применения электроника может быть медицинской, автомобильной, бытовой и т. д. В свою очередь элементная база электроники может быть классифицирована и по технологии изготовления, и по конструкции и т. п.

Рисунок 2.

Классификация полупроводниковых приборов по принципу действия и назначению представлена на рисунке 2.

В электронике нашли широкое применение диоды и транзисторы, а их основным свойством является способность пропускать и усиливать потоки энергии малой и большой мощности.

2. Полупроводниковые диоды

Основой полупроводникового диода является электронно-дырочный переход, возникающий на границе раздела полупроводниковых кристаллов (германий или кремний), различающихся типом проводимости. Тип электропроводимости определяется видом примеси, вносимой в чистый кристалл, и может быть или дырочной, когда в кристалле недостаток свободных электронов, или электронной, когда свободных электронов – избыток. Первый кристалл называется р - типа, второй n–типа. За счет теплового движения электроны и дырки переходят через границу раздела кристаллов (это явление называется диффузией), в результате чего по обеим сторонам границы раздела образуются разноименно заряженные слои, между которыми возникает контактная разность потенциалов и внутреннее электрическое поле. Если к р-n – переходу подключить источник напряжения, т.е. на внутреннее электрическое поле наложить внешнее, то разность потенциалов между слоями изменится. При подключении источника плюсом к области р, а минусом – к области n разность потенциалов перехода уменьшится или исчезнет совсем. При обратной полярности разность потенциалов наоборот возрастет. Первый способ включения называется прямым и при нем р-n – переход пропускает электрический ток; второй способ – обратный, и при этом р-n – переход электрический ток не пропускает (или почти не пропускает). В этом заключаются вентильные свойства, т.е. односторонняя электропроводимость электронно-дырочного р-n перехода.

Электронно-дырочный переход обладает также и другими свойствами: стабилизация напряжения и изменение емкости при обратном включении, светоизлучение при прямом включении, фотоэффект – генерация э.д.с или увеличение тока при обратном включении под воздействием излучения, туннельный эффект.

Кристаллы с одним электронно-дырочным переходом, снабженные двумя выводами и размещенные в корпусе, образуют полупроводниковый диод. В зависимости от конструктивного исполнения и выполняемой функции диоды разделяются на разные виды. Классификация диодов по видам и их условные графические обозначения даны на рисунок 3.

Рисунок 3.

В зависимости от конструкционного устройства и технологии изготовления диоды разделяются на плоскостные и точечные: у первых площадь р-n – перехода составляет десятки и сотни квадратных миллиметров, а у вторых – не более одного. Точечные диоды используются как выпрямительные, преимущественно в цепях ВЧ и СВЧ.

Плоскостные диоды имеют разнообразное применение: выпрямительные для выпрямления токов от долей ампера до сотен килоампер, стабилитроны для стабилизации напряжений от единиц до тысячи вольт, варикапы для изменения емкости, фотодиоды для изменения обратного сопротивления, светодиоды для получения светового излучения, фотоэлементы для генерации э.д.с. постоянного тока, туннельные диоды для генерации электрических колебаний, оптрон диодный (сочетание в одном приборе свето и фотодиода) для гальванической развязки информационных каналов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) некоторых из них представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. ВАХ выпрямительного диода (а), стабилитрона (б), зависимость ёмкости от напряжения варикапа (в)

3. Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих электронно-дырочных перехода и который имеет три вывода. Один из переходов (с меньшей площадью) называется эмиттерным, а другой (с большей площадью) – коллекторным. Слой проводника, находящегося между переходами, называется базой. Соответственно выводы называются эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). В зависимости от типа проводимости, транзисторы делятся на p-n-p и n-p-n.

Условные графические обозначения транзисторов обоих типов показаны на рисунке 5.

Рисунок 5.

Биполярные транзисторы применяются для построения на их основе усилительных и ключевых устройств, и могут включаться в электрическую цепь по одной из схем: с общей базой, с общим эмиттером или общим коллектором. Наиболее распространенной и универсальной по параметрам является схема включения с общим эмиттером, изображенная на рисунке 6. Это схема усилителя по напряжению и току, работа которого

основа на том, что ток эмиттера I_э становится тем больше, чем больше ток базы I_б, а ток коллектора I_к= I_э - I_б.

Рисунок 6.

Устройство транзистора (его электронно-дырочных переход) таково, что ток эмиттера в десятки раз больше тока базы, т.е. Iэ>>Iб, а I_э»I_к. Изменение тока эмиттера ведет к изменению тока коллектора. Отношение приращения тока коллектора DI_кк приращению тока базы DI_б называется коэффициентом усиления по току b, т.е. b = DI_к/ DI_б, и может принимать значения от 10 до 1000 для разных типов транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению определяется из выражения k = DU_вых/DU_вх, где DU_выхи DU_вх- изменение напряжений на выходе и входе усилителя;

4. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы построены на основе использования эффекта воздействия поперечного электрического поля на проводимость канала, по которому движутся носители электрического заряда. Канал представляет собой вытянутую зону из полупроводника р- или n - типа. Начало и конец канала и отходящие от них выводы называются исток (И) и сток (С); а рядом с каналом с одной или двух его сторон располагается электрод, создающий поперечное электрическое поле и называемый затвором (3). Полевые транзисторы изготавливают двух типов: с затвором в виде р-n-перехода или с изолированным затвором.

Проводимость канала в транзисторах первого типа изменяется за счет регулирования ширины слоя у р-n-перехода, обедненного носителями заряда и распространяющегося поперек канала. Проводимость канала в транзисторах второго типа, чаще называемых транзисторами типа МДП (металл–диэлектрик-полупроводник), изменяется за счет выталкивания поперечным электрическим полем из канала основных носителей в подложку или, наоборот, привлечения их в канал из подложки при другой полярности поля. Условные графические обозначения полевых транзисторов показаны на рисунке 7.

а) б)

Рисунок 7. Полевые транзисторы (а), с изолированным затвором (б)

Отношение приращения выходного тока (тока стока) DI_с к приращению управляющего напряжения (напряжения, прикладываемого между затвором и истоком) DU_зи называется крутизной входной характеристики S=DI_с/DU_зи; это основная характеристика полевого транзистора любого типа.

Области применения полевых транзисторов те же, что и биполярных транзисторов, однако полевые транзисторы перед биполярными имеют ряд существенных преимуществ, к которым прежде всего относятся большое входное сопротивление (10¹⁰ – 10¹⁵ Ом), малые входные токи, малый уровень собственных шумов, малое влияние температуры.

5. Тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три и более электронно-дырочных перехода с чередующимися слоями полупроводников р- и n- типов. Тиристор может иметь или два вывода от крайних слоев, или три – к двум названным добавляется вывод от одного из промежуточных слоев. Вывод от крайнего слоя р- типа называется анодом (А), а от крайнего n-типа – катодом (К), вывод от промежуточного слоя называется управляющим электродом (У). Тиристор без управляющего электрода называется диодным тиристором или динистором, а с управляющим электродом – триодным тиристором или тринистором. Тиристор с трямя р-n- переходами проводит ток только в одном направлении. Тиристор с четырьмя р-n-переходами может проводить ток в двух направлениях, и он называется симметричным тиристором или симистором. Условные графические обозначения названных типов тиристоров показаны на рисунке 8.

Тиристор (тринистор) может находится в двух состояниях: проводящем (включенном) и непроводящем (выключенном). Включение динистора

Рисунок 8.

происходит при достижении прямого напряжения критического значения U_вкл,а выключение – при снижении прямого тока, проходящего через него, до значения удерживающего тока I_уд или уменьшении до нуля прямого напряжения, или подаче обратного напряжения. Выключение тиристора происходит при тех же условиях, что и выключение динистора, а вот его включение может произойти и при прямом напряжении, меньшем U_вкл, но при подаче напряжения на управляющий электрод и прохождении через тиристор тока управления I_у. Меняя ток I_у _, можно изменять напряжение, при котором тиристор включается рисунок 9.

Рисунок 9. ВАХ тиристора

Тиристоры выполняют роль управляемого или неуправляемого ключа и используются в управляемых выпрямителях и переключающих устройствах.

6. Резисторы полупроводниковые

Полупроводниковые резисторы представляют собой тело из полупроводникового материала одного типа электропроводности (n- или р- типа). Сопротивление полупроводникового резистора определяется не только его размерами, формой, видом и составом материала, но и может зависеть в сильной степени от внешних воздействий: тепла, оптического излучения, механической деформации, магнитного поля или от протекающего по телу тока. В первом случае – это линейные резисторы, основное применение они находят в интегральных микросхемах, Резисторы, сопротивление которых зависит от протекающего по ним тока, являются нелинейными и называются варисторами. Другие виды резисторов – терморезисторы (с ростом температуры их сопротивление уменьшается), фоторезисторы (сопротивление уменьшается с увеличением освещенности), тензорезисторы (сопротивление изменяется в зависимости от механического напряжения при сжатии или растяжении). Эти резисторы изготавливаются как отдельные изделия для преобразования первичной информации и используются в качестве датчиков - чувствительных элементов при измерении соответствующих неэлектрических величин.

7. Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронными (оптронами) называются приборы, объединяющие в одном корпусе излучатель (светодиод) и приемник (фотодиод, фототранзистор, фототиристор, фоторезистор) оптического излучения. В оптронных приборах осуществляется преобразование: электрический сигнал – оптический сигнал – электрический. Их главным достоинством является отсутствие электрической связи между входом и выходом, что обеспечивает в информационных электрических цепях гальванические развязки, низкий уровень электрических помех и устойчивость к внешним помехам.

8. Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема – это единое неразъемное изделие малых габаритов (объемом в доли или единицы кубических сантиметров), заключенное в одном корпусе, состоящие из набора большого количества активных элементов (диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.п.), выполненных по специальной технологии. Функционально микросхема представляет собой одно или несколько разнотипных устройств служащих для обработки сигналов: генераторы, усилители, выпрямители, ключи, логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, устройства памяти, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д. В зависимости от вида обрабатываемых сигналов микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Первым параметром микросхемы является степень интеграции, которая характеризуется количеством элементов в одном кристалле. Степень интеграции варьируется в широком диапазоне – от единиц до сотен тысяч элементов; интегральные микросхемы, имеющие степень интеграции более 1000, получили название больших интегральных схем (БИС). Другие достоинства микросхем – малые габариты и масса, малое потребление энергии, многообразие функциональных возможностей способствует их широчайшему применению в самых различных областях техники, связанных с получением, обработкой, передачей, хранением информации - вычислительная техника, техника связи, измерительная техника и автоматика.

Каждому типу микросхемы присваивается условное буквенно-цифровое обозначение (код), по которому можно получить значительный объем информации о назначении микросхемы, ее характеристиках и области применения. Так, например, обозначение КР142ЕН5А говорит, что это: К- микросхема широкого применения, Р- тип корпуса – металлополимерный, 1 – полупроводниковая, 42 – порядковый номер разработки, ЕН – функциональное назначение – стабилизатор напряжения, 5 – условный номер, А – основные электрические параметры: выходное напряжение 5В, выходной ток до 3А, рассеиваемая мощность с теплоотводом 10 Вт.

Каждая микросхема (ее корпус) имеет ряд выводов (от нескольких штук до нескольких десятков), с помощью которых она включается в электрическую цепь, размещением её на печатных платах.

Содержание отчета

Отчет должен содержать: название работы, цель, краткие теоретические сведения, условные графические обозначения элементов, информацию об элементах электронных устройств, полученную при изучении настоящего пособия и демонстрационного стенда, а также расчёт номиналов резисторов, их мощность по токам и входному напряжению схем, изображённых на рисунке 10. Выводы делаются на основании проделанной работы, например расчёта.