3. Тиристоры

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными р-п переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников р- и n - типов.

Различают управляемые, или триодные, и неуправляемые, или диодные, тиристоры.

Триодный тиристор кроме анодного и катодного выводов имеет вывод управляющего электрода УЭ. Последний подключается либо к ближайшей к катоду p-области, либо к ближайшей к аноду n-области. В соответствии с этим различают катодное и анодное управление тиристором. Первое подключение более распространено. Структура тиристора с катодным управлением, его условное изображение и ВАХ приведены на рисунке. При изменении напряжения управления U_уп изменяется и напряжение включения тиристора U_вкл. Следователь­но, его можно использовать как управляемый ключ.

Для запирания триодного тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля. Основная область применения тиристоров – преобразовательная техника.

В схеме с тиристором диод открывается только при подаче управляющего импульса. Таким образом, появляется возможность автоматически регулировать средние значения тока и напряжения на нагрузке, изменяя момент подачи управляющего импульса.

6 Классификация полупроводниковых приборов и области их применения

На основе полупроводников изготовляются резисторы с постоянным сопротивлением, а также резисторы с нелинейными ВАХ. К последним относится варистор. Варисторы применяются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых сильно зависит от температуры внешней среды, называются терморезисторами. Различают терморезисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

В конденсаторах на основе полупроводников — варикапах — используется изменение емкости р-п перехода в зависимости от приложенного к нему напряжения.

К оптоэлектронным относятся полупроводниковые приборы, способные работать в качестве источников (светоизлучающие диоды) и приемников (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) излучения.

Работа светоизлучающего диода основана на явлении индукционной электролюминесценции, т. е. излучения квантов света при рекомбинации носителей заряда в р-п переходе, смещенном в прямом направлении.

Работа фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров основана на явлении внутреннего фотоэффекта, т. е. генерации в полупроводниках избыточных пар носителей заряда - электронов и дырок - под действием излучения. В фоторезисторах это приводит к изменению электрической проводимости полупроводника при его освещении. В фотодиодах избыточность носителей заряда увеличивает потенциальный барьер р-п перехода. Если к освещенному фотодиоду подключить резистор, то в цепи наблюдается ток, т. е. преобразование энергии излучения в электрическую.

Фототранзистор с двумя р-п переходами имеет структуру обычного биполярного транзистора, но только два вывода — коллекторный и эмиттерный. Ток в цепи фототранзистора зависит не только от напряжения между коллектором и эмиттером, но и от его освещенности.

Фототиристор с тремя р-п переходами также имеет два вывода -анодный и катодный. Его ВАХ подобна ВАХ триодного тиристора с той особенностью, что напряжение включения U_BKJl зависит от освещенности фототиристора.

По своим функциональным задачам полупроводниковые устройства можно разделить на три группы: преобразовательные, в том числе выпрямительные; усилительные и импульсные, в том числе логические.

Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобр­зования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменение значений постоян­ного напряжения и частоты синусоидального тока — преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии и т. д. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. При помощи импульсных и логических устройств создают различные системы управления. Первые обеспечивают необ­ходимую временную программу, а вторые - необходимую логическую программу совместной работы отдельных частей объекта управления.

Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неделимое целое.

Основные параметры интегральных микросхем:

• плотность упаковки (количество элементов в единице объема;

• степень интеграции (количество элементов в схеме).

По степени интеграции интегральные микросхемы делятся:

I степень интеграции - до 10 элементов;

II степень интеграции - от 10 до 100 элементов;

III степень интеграции - от 100 до 1000 элементов.

По конструктивно-технологическому признаку на:

Гибридные — пассивные элементы таких микросхем выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки; активные элементы представляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки до 150 эл/см³; степень интеграции I и II).

Полупроводниковые – все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки до 10⁵ эл/см³; степень интеграции VI и выше).

Интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Цифровые микросхемы применяются вЭВМ.

Источники вторичного электропитания

Электростанции вырабатывают электрическую энергию переменного тока частотой 50 Гц, которую передают на большие расстояния. На практике возникает необходимость применения постоянного тока: в первую очередь это относится к устройствам электроники, питание которых осуществляется напряжением постоянного тока.

Для преобразования переменного тока в постоянный служат электронные выпрямители, относящиеся к источникам вторичного электропитания. В состав электронного выпрямителя входят:

• трансформатор, преобразующий напряжение сети до необходимого значения;

• диоды, осуществляющие выпрямление тока;

• сглаживающие фильтры, уменьшающие пульсации выпрямленного напряжения;

• стабилизатор, поддерживающий неизменным напряжение на нагрузке.

В зависимости от назначения выпрямителя и предъявляемых ему требований некоторые из перечисленных узлов могут отсутствовать.

Однополупериодный выпрямитель

Переменное синусоидальное напряжение подают на диод VD. За счет односторонней проводимости диодов ток проходит только в положительные периоды напряжения и, следовательно, имеет импульсную форму.

Отношение выпрямленного напряжения U₀ к переменному напряжению подаваемого на вход выпрямителя: U₀ /U₁ = 0,45.

Коэффициент пульсации: К_пульс = U _{m гарм} / U₀ = 1,57

Двухполупериодный выпрямитель

С целью уменьшения пульсаций выпрямленного тока через нагрузку необходимо и вторую полуволну напряжения U₁

Диоды VD1 и VD3 пропускают ток i_1-3 положительной полуволны входного напряжения U₁. Диоды VD2 и VD4 пропускают ток i_2-4 отрицательной полуволны. Таким образом, через нагрузку проходит пульсирующий ток i₀ одного направления. Выпрямленное напряжение повторяет форму тока.

U₀ /U₁ = 0,9 К_пульс = U _{m гарм} / U₀ = 0,67

Трехфазный однополупериодный выпрямитель

С целью уменьшения пульсаций выпрямленного тока увеличивают количество фаз источника переменного напряжения до трех.

В трехфазном однополупериодном выпрямителе диоды работают поочередно 2 / 3 периода каждый. В каждый момент времени работает вентиль той фазы (VD1, VD2, VD3), напряжение которой наиболее положительно (U_А, U_В, U_С).

U₀ /U₂ = 1,17 К_пульс = U _{m гарм} / U₀ = 0,25

Сглаживающие фильтры

Коэффициент пульсаций напряжения, питающего электронную аппаратуру, должен составлять доли процента. Поэтому для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами.

Применяют емкостные, индуктивные, Г- образные и П- образные фильтры.

Стабилизатор напряжения

Напряжение источников питания электронной аппаратуры может изменяться при колебаниях напряжения сети переменного тока. Для нормальной работы в ряде случаев требуется стабильное напряжение источников питания. Повышение устойчивости питающего напряжения достигается применением стабилизаторов напряжения.

Стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные.

Наиболее простым стабилизатором напряжения является параметрический.

Схема стабилизатора содержит стабилитрон, включенный в обратном направлении, балластное сопротивление R_б и сопротивление нагрузки R_H. При малых входных напряжениях (U_вх) напряжение на стабилитроне (U_cm) будет также малым, ток стабилитрона (I_ст) ничтожно мал, так что можно считать стабилитрон как бы отключенным от схемы. При этом I_вх = I_н и напряжения на резисторах R_б и R_H будут распределяться пропорционально их сопротивлениям, а зависимость U_вых=f(U_вх) будет приблизительно прямо пропорциональной. Когда входное напряжение возрастет на столько, что напряжение на стабилитроне достигнет величины пробоя, ток через стабилитроне резко возрастет. Это приведет к большому падению напряжения на балластном сопротивлении R_б, а выходное напряжение U_вых = U_ст, при изменении входного напряжения в определенных пределах будет оставаться почти неизменным.

Величина балластного сопротивления R_б зависит от пределов изменения входного напряжения, тока нагрузки и параметров стабилизатора.

Классификация усилителей

Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения значений параметров электрических сигналов за счет энергии вклю­ченного источника питания. Различные усилители применяются для преимущественного усиления значений тех или иных параметров сигналов. По этому признаку они делятся на усилители напряжения, тока и мощности.

Возможны линейный и нелинейный режимы работы усилителя. В усилителях с практически линейным режимом работы получается минимальное искажение формы усиливаемого сигнала, который Всегда можно представить совокупностью гармоник различной частоты. Искажение сигнала будет минимальным, если без искажения будут усиливаться все его гармонические составляющие. Свойство усилителя увеличивать амплитуду гармонических составляющих сигнала характеризует его амплитудно-частотная характеристика АЧХ. По типу АЧХ различают усилители медленно изменяющихся напряжений и токов, или усилители постоянного тока (а), усилители низких частот (б), усилители высоких частот (в), широкополосные усилители (г) и узкополосные усилители (д).

Операционные усилители представляют собой разновидность усилителей постоянного тока с верхней границей амплитудно-частотной характеристики f_в = 10² ÷ 10⁵ Гц. Предназначены для выполнения различных операций над аналоговыми (сложение, вычитание, интегрирование).

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход (два входных ввода) и один общий выход.

Логические элементы.

Логические элементы – это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции, используются в большинстве цифровых интегральных микросхем. Все переменные в алгебре логике принимают только два значения «1» и «0».

Операция «НЕ» - логическая операция отрицания

X	Y
0	1
1	0

Операция «ИЛИ» - логическая сложение – дизъюнкция ( + ,  )

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

Операция «И» - логическая умножение – коньюкция ( , )

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

а) элемент «НЕ», б) элемент «ИЛИ» в) элемент «И»

г) элемент «ИЛИ-НЕ» (элемент Пирса) д) элемент «И-НЕ» (элемент Шифера)

Триггер – это устройство, имеющие два состояния устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. Их применяют для записи и хранения информации