Презентация Эл-ка часть I февр 2013г

Электроника

Преподаватель: Саломатин Александр Федорович

Структура курса: 99 лекций; 8 Лабораторных работ; Расчётно-графическая работа Форма отчетности – экзамен.

Лабораторные работы: Лабораторные работы проводятся в лаборатории II II – 105 по половине группы. Первые три занятия проходят в виде практических занятий. Тема этих трёх практических занятий – «Проектирование источника питания для радиоэлектронной аппаратуры» . На четвёртом занятии схема спроектирован-ного источника питания моделируется на компьютере в программе Electronics Workbench. .

Далее проводятся последние четыре так называемые «железные» лабораторные работы (или лабораторные работы на «железе» ). Темы последних лабораторных работ будут сообщены позднее. ЛИТЕРАТУРА :

ID 000119573 Расстано — вочный шифр 621. 38 З-127 Автор Забродин, Юрий Сергеевич Заглавие Промышленная электроника : учебник для энергетических и электромеханических специальностей вузов / Ю. С. Забродин Выходные данные М. : Альянс , 2008 Объем 495, [1] с. ил. Гриф МО

Гусев В. Г. , Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника Издательство Высшая школа , 2008 г

Электроника. Учебное пособие для ВУЗов Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. 2009 г Издательство « Дрофа »

Электроника. Полный курс лекций Прянишников В. А. Издательство КОРОНА-Век , 2009 г

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды Полупроводниковый диод – это прибор с двухслойной PP — NN структурой и одним PP — NN переходом. Слой РР — акцепторная примесь ( основные носители — дырки ). Слой NN — донорная примесь (основные носители — электроны). V или VD — обозначение диода VS – обозначение диодной сборки Цифра после V , показывает номер диода в схеме Анод – это полупроводник P -типа Катод – это полупроводник N-типа

При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении ( «+» на анод, а « — » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка). При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода UU эл. проб. = 10÷ около 6000 В – напряжение электрического пробоя. Зависит от марки диода. UU нас. = 0, 3 ÷ 1 В – напряжение насыщения. II aa и и UU aa – анодный ток и напряжение

Участок II : : – рабочий участок (прямая ветвь ВАХ) Участки IIII , , IIIIII , , IVIV , — обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок) Участок IIII : : Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением неосновных носителей.

Участок IIIIII : : Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток) Электрический пробой, теоретически, является обратимым, после снятия напряжения PP — NN -переход восстанавливается.

Участок IVIV : : Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает. Тепловой пробой — необратим. Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому на практике для диодов запрещается работа при электрическом пробое.

Тепловой пробой может наступить и на рабочей ветви ВАХ (участок II ). ). Надо отметить, что для данной ВАХ масштабы по осям в положительном и отрицательном направлении неодинаковы. Если сделать масштабы одинаковыми, ВАХ будет иметь следующий вид :

Вольт-амперная характеристика идеального диода (вентиля)

Основные параметры полупроводниковых диодов 1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (( II ПР. СР. ) ) – – это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении не перегреваясь. Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя. По прямому току диоды делятся на три группы: 1) Диоды малой мощности ( II ПР. СР < 0, 3 А) 2) Диоды средней мощности (0, 3 < I I ПР. СР 10 А) В настоящее время существуют диоды с I I ПР. СР = 3800 А Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)

Для диодов средней и большой мощности, которые не могут эффективно отводить тепло своими корпусами, требуется дополнительный теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования выполняются шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал — медь, бронза, алюминий, силумин)

2. Постоянное прямое напряжение ( ( UUПР. )) Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока. Проявляется особенно при малом напряжении питания. Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий — Ge. Ge , , кремний — Si. Si )) Синоним этого параметра – напряжение насыщения.

UUпр. Ge. Ge ≈ 0. 3÷ 0. 5 В (Германиевые) Uпр. Si. Si ≈ 0. 5÷ 1 В (Кремниевые) Германиевые диоды обозначают – ГД (1 Д) Кремниевые диоды обозначают – КД (2 Д) 3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение ( ( UU обр. maxmax )) Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) UU обр. maxmax ≈ 0. 7 UUЭл. пробоя (10(10 ÷÷ 4500 В) Для мощных диодов UU обр. maxmax = 1200 В. Этот параметр иногда называют классом диода (Для 12 класса диода UU обр. maxmax = 1200 В)

4. Максимальный обратный ток диода ( ( II maxmax . . обр. ) ) Соответствует максимальному обратному напряжению (порядок величины – микроамперы или миллиамперы в зависимости от мощности диода). Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых 5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление. IU R Д

Стабилитроны

Стабилитрон – это разновидность диода. Применяется для ограничения электрических сигналов по току и напряжению. Используются в стабилизаторах напряжения.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона Рабочим участком является участок электрического пробоя. U U стаб. – напряжение стабилизации I I стаб. minmin – минимальный ток стабилизации I I стаб. maxmax – – максимальный ток стабилизации

В справочнике дается среднее значение UUстаб. Есть разброс порядка 10 %. Для достижения требуемого значения стабилитроны могут включаться последовательно.

Рабочий ток стабилитрона лежит в пределах от минимального до максимального тока стабилизации. Степень наклона рабочего участка, характеризуется динамическим сопротивлением Для идеального стабилитрона RRДД =0. U U стаб. =3 ÷ 200 В I U RД IIImax. стаmin. ст

Ещё один паспортный параметр – ТКН (температурный коэффициент напряжения). Показывает на сколько вольт (или на сколько процентов) изменяется UUстаб при изменении темпе-ратуры на один градус Цельсия.

Выпускаются ещё и двуханодные стабилитроны. Это фактически два стабилитрона, включенные последовательно встречно. I a U a Эти стабилитроны используются для ограничения сигнала в цепях переменного тока.

Тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с несколькими чередующимися слоями nn и и pp проводимости, четырехслойной структуры pp — nn — pp — nn. . Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод). Название тиристора — от греческого слова thyra (тира), что означает «дверь» или «вход».

Вольтамперная характеристика тиристора.

Выше приведено схемное обозначение управляемого тиристора (триодный тиристор, тринистор). На практике при употреблении термина «тиристор» подразумевается именно этот элемент.

При положительной полярности: — участок ОА – через тиристор протекает незначительный ток, можно считать, что тиристор закрыт. U U вклвкл — называется напряжением включения. Как только напряжение достигает значения, U U вклвкл оно лавинообразно снижается – участок АВ. . Способ управления повышением напряжения до U U вклвкл не рекомендуется (тиристор открывается только один раз) Чем больший ток подан на управляющий электрод, тем «колено ОАВ» меньше. Если , (( I I у4 = I I упр отп — управляющий ток отпирания), то ВАХ тиристора совпадет с ВАХ диода. Когда тиристор вышел на рабочий участок ВС, можно отключить ток управления. При этом тиристор останется в открытом состоянии. ВКЛUU 0 4 уупр. II

Условия необходимые, для того, чтобы открыть тиристор : 1. Прямая полярность анодного напряжения (плюс приложен к аноду, минус – к катоду). 2. Величина тока в цепи управляющего электрода больше управляющего тока отпирания ( I I упр отп ). Чтобы закрыть тиристор, необходимо снизить анодный ток до величины тока удержания на достаточное время (время выключения). Если тиристор стоит в цепи переменного тока, он закроется при обратной полярности анодного напряжения.

Существуют тиристоры двух видов: 1. 1. Незапираемые – это тиристоры, управляемые при подачи напряжения и тока на управляющий электрод. 2. 2. Запираемые – их исходное состояние – открыт. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо подать ток обратной полярности относительно большой величины.

ππ 22 ππ 33 ππ 00 t, t, ωω tt. U~U~ t, t, ωω ttt, t, ωω ttiупр 1 2 UU наг 1 при. UU наг 2 при

Изменяя угол αα (( угол управления) , можно регулировать среднее напряжение на нагрузке, чем больше αα , тем меньше среднее напряжение на нагрузке. Симметричные тиристоры или симисторы – это два тиристора включенных встречно — параллельно. Справа дано обозначение неуправляемого тиристора (динистора). Он открывается при приложении между анодом и катодом напряжения больше U U вкл

Параметры тиристоров 1. Напряжение включения ( ( U U вклвкл ) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние. 2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение ( UU обр. maxmax ) – это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров U U вкл. = = UUобр. maxmax 3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток. 4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре ( U U пр. = 0, 5÷ 1 В )) 5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности. 6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается

7. Время выключения — это время в течение которого закрывается тиристор (от 10 до 500 микросекунд). 8. Предельная скорость нарастания анодного тока Если анодный ток будет быстро нарастать, то pp — nn переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой. 9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи. 10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена» . 11. Управляющее напряжение отпирания — это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена» . dt d. Iа dt d. Ua

Однофазные схемы выпрямления

Различают два способа (схемы) выпрямления: 1. Однополупериодные – ток в нагрузке протекает только при положительной полуволне питающего напряжения. 2. Двухполупериодные – ток в нагрузке протекает при обеих полуволнах. Однополупериодная схема выпрямления На участке 0< ωt < π U d =e 2 На участке π<ω t <2π U d =

Достоинство однополупериодной схемы выпрямления : простота и дешевизна. Недостатки однополупериодной схемы выпрямления: токи и напряжения прерывисты, следовательно будет низкая величина среднего значения токов и напряжений в нагрузке. Кроме того, в схеме велик уровень напряжения пульсаций.

Двухполупериодные схемы выпрямления Рассмотрим однофазную двухполупериодную схему выпрямления с нулевой точкой (нулевая схема)

~U 1 I 1 T e 2+ (-) — (+) V 2 V 1 U d I d. R н + (-) — (+)e 2 I 2 I a=

Рассмотрим интервал 0 < ωtωt < < ππ : : диод VV 1 – открыт; диод VV 2 – закрыт. U d=e 2 Рассмотрим интервал ππ < ω tt < 2 ππ : : диод VV 1 –закрыт; диод VV 2 – открыт. Токи и напряжения имеют одинаковую полярность, но в каждый момент времени изменяют свою величину (ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер). Выпрямленное напряжение содержит как постоянную, так и переменную составляющую. EEU 2 m 2 dm

2202 2 0009. 0 22 cos 2 sin 2 1 sin 1 )( 1 EEwt E wtdwt. Ewtdwtudttu T u dm. T dd 229. 0 22 EEud dd. Uu. E 11. 1 22 2 )t(U)t(u u Пdd

Период питающего напряжения Период выпрямленного напряжения Наибольшую величину в кривой выпрямленного напряжения имеет 1 -ая гармоника, частота которой в 2 раза выше частоты питающей сети. Эту гармонику наиболее трудно подавить фильтрами, поэтому по ее величине судят об искажении выпрямленного напряжения. U п 1 max U п 1 U п 2π π 0 t 2 T T П U U П П – переменная составляющая выпрямленного напряжения (напряжение пульсаций); U U П 1 – первая гармоника U U П П . .

На рисунке штриховой линией показана первая гармоника напряжения пульсаций. Пульсация выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсации. Коэффициент пульсаций d max 1 П u U q Здесь U U П 1 П 1 max – – амплитуда первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения (синоним – амплитуда первой гармоники напряжения пульсаций). U U d d – – постоянная составляющая (среднее за период значение выпрямленного напряжения).

Из разложения в ряд Фурье кривой выпрямленного напряжения получим в общем виде формулу : , где mm – кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте сети (число фаз выпрямления или пульсность выпрямителя). Последняя формула справедлива только при чисто активной нагрузке !!!1 m 2 q

Определим коэффициент пульсации для нашего рассмотренного случая Чем меньше коэффициент пульсации, тем меньше уровень пульсации, а следовательно выше качество выпрямленного напряжения. 1 2 2 m q 67. 0 3 2 12 2 2 q

Основными параметрами для выбора диода являются: 1. Прямой средний за период анодный максимальный ток. Так как для тока одна полуволна отсутствует, а для тока нет, получаем: н d d R U I= dmam II di 2 d a I I- среднее значение тока, протекающего через нагрузку. ia

2. Обратное напряжение. ddmобр uu. EEmu 22 22 22. d 2 u 22 E 2. Обратное напряжение. Так как :

Мощность, выделяемая на нагрузке от постоянной составляющей выпрямленного тока и напряжения определяется средним значением напряжения : duu mобр . 2 d. E 9, 0 U нн R E P 2 2 н нннd d P R E R u P 81090 2 22 22. =. = ). ( ==Активная мощность, отдаваемая в нагрузку определяется действующим значением выпрямленного напряжения : 2 Eдейств. U d =

Следовательно, около 20% всей мощности в нагрузку передается переменной составляющей. Это также говорит о некачественном выпрямлении. Для уменьшения пульсации (уменьшения переменной составляющей) применяются фильтры. Расчетная мощность трансформатора: (при активно — индуктивной нагрузке) S т =1, 34 P d = 1, 34 U d I d Последняя формула приводится без вывода.

Электроника

Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления

~U 1 I 1 T e 2+ (-)I 2 — (+) I a V 2 V 1 V 3 V 4 L н U d I d R н

~U 1 I 1 T e 2+ (-)I 2 — (+) I a V 2 V 1 V 3 V 4 L н U d I d R н Мостовая схема может работать и без трансформатора, а схема с нулевой точкой нет

При положительной полуволне ЭДС (интервал 0 — ) и указанной на рисунке полярности выпрямленный ток будет протекать через диод VV 1, 1, нагрузку и диод VV 4. Диоды VV 2 и VV 3 находятся под обратным напряжением и тока не проводят (плюс приложен к катоду, а минус к аноду). При изменении полярности переменного напряжения (интервал ) открываются VV 2 и VV 3 и ток сохраняет направление. Если нагрузка активная ( ), то ток повторяет форму напряжения на нагрузке, а и и имеют синусоидальную форму (штриховые кривые) Если , она препятствует изменению тока и не будет успевать следовать за изменением и и будет сглаживаться (сплошная линия ). ). Также будет наблюдаться отстающий фазовый сдвиг. При значительной индуктивной нагрузке( > > ) ток из-за малых пульсаций можно считать постоянным (идеально сглаженным). 2 e нн. LR 2 e 2 di 0 н. L di 1 i 2 i 0 н. L di du d i НПLLXНR 10 di

При значительной индуктивной нагрузке передача активной мощности в нагрузку переменной составляющей тока отсутствует. Токи , , принимают форму прямоугольных импульсов. При RR — LL нагрузке, как и при активной, форма повторяет , а его значение определяется как и для нулевой схемы с активной нагрузкой. илиили Пренебрежем потерями в , диодах и трансформаторе и положим (идеально сглажен) Ток в диоде и ai 2 i 1 i d u 2 e 229. 0 22 EEUd d UE 11. 12 н. L dd Ii н d d R U I н dd a R 2 U 2 I I da. II max

Достоинства схемы с нулевой точкой: 1. Меньшее число диодов меньшая стоимость. 2. Последовательно обтекается всегда только один диод и нагрузка при малом питающем напряжении, падение напряжения будет меньше. Недостатки схемы с нулевой точкой: 1. Не работает без трансформатора. 2. больше на 20% больше габариты и выше цена. 3. Обратное напряжение больше в два раза. Применяется при малых напряжениях питания. ddmmобр UUEEU 2 22 2 2 22. d. Т PS 11. 1 d U mобр U 2. ТS

Достоинства мостовой схемы: 1. Может работать без трансформатора, если нас устраивает входное напряжение. 2. на 20% меньше габариты и ниже цена. 3. В два раза меньше обратное напряжение для диодов. Недостатки мостовой схемы: 1. В два раза большее число диодов. 2. Падение напряжения в два раза больше, так как последовательно с нагрузкой током обтекаются два диода. Мостовая схема применяется при EE 22 =10÷ сотен Вольт. ТS

Фильтры выпрямителей

Назначение: Улучшение качества выпрямленного напряжения путем ослабления переменной составляющей. Коэффициент сглаживания: — характеризует (количественно) ослабление переменной составляющей. Чем больше коэффициент сглаживания, тем лучше. вых вх q q S U d~U 1 B Ф R н. U н

mнnd нmn Н mнn d mn UU UU U U S 1 1 Здесь U НП 1 m – амплитуда первой гармоники пульсаций на выходе фильтра; U Н – среднее значение напряжения на выходе фильтра.

rr – активное сопротивление катушки индуктивности. Конденсатора в схеме нет, т. к. постоянный ток через него не проходит. Рассмотрим как передаются фильтром постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения. Схема замещения для постоянной составляющей выпрямленного напряжения LL и и LL — CC фильтра: r R R UU Н Н d. Н Должно быть r « R Н чтобы постоянная составляющая передавалась без потерь.

Схема замещения для переменной составляющей выпрямленного напряжения LL и и LL — CC фильтра: u П 1 i П 1 Z ПАРZ ПОСЛ u НП 1 Здесь Z ПОСЛ — комплексное сопротивление последо-вательного элемента фильтра. Z ПАР — комплексное сопротивление параллель — ного элемента фильтра, включая R Н. Чем больше Z ПОСЛ и меньше Z ПАР , тем меньше переменная составляющая и больше S. Поэтому делают ω п · L » R Н. Переменная составляющая – это первая гармоника ω п =2ω сети

Для LL — фильтра: н 2 п m 1 п Нm 1 Пm 1 нп R R)L( U URI Z ПОСЛ = ω П · L » R Н Z ПАР = R Н r « R Н н 2 п нdm 1 пн 2 пнdm 1 п dm 1 нп нm 1 п Rr R)L( RUU)Rr( R)L(RUU UU UU S В приведенной выше формуле выходные напря-жения фильтра U Н и U НП 1 m выражены через входные напряжения фильтра U d и U П 1 m . r. R R UU Н Н d. Н

Ранее объяснены неравенства: rr << ии << << Чем меньше тем больше SS Индуктивный фильтр эффективен в «сильноточных» схемах, где — мало. . «Сильноточная» схема – это схема, где протекают большие (сильные) токи. н 2 п нdm 1 пн 2 пнdm 1 п dm 1 нп нm 1 п Rr R)L( RUU)Rr( R)L(RUU UU UU S н. RLп н. R Lп S пар. Z посл. Z S н R

Коэффициент сглаживания для LL С – фильтра: Емкость шунтирует нагрузку по переменной составляющей. Условие эффективного шунтирования переменной составляющей: должно быть < 0. 1 С X п c 1 н. R С Z п пар 1 LC С L Z Z Sп п п пар посл

— Из чего следует, что LCLC — фильтры более эффективны Ёмкостные и RR — CC фильтры используются при нагрузке потребляющей малые токи от выпрямителя («слаботочная» нагрузка, т. е. нагрузка с малым («слабым») током). LCSп 2 Ёмкостный и R — C фильтр. (Работа выпрямителя на R — C нагрузку). (-)(-) (+)(+) (-)(-)

r r — активное сопротивление диодов и обмоток трансформатора Рассмотрим, что происходит в схеме в разные промежутки времени: t 1 Зt 2 З

1. 1. 0 < tt < > u u dd , , VV 1 – открыт, VV 2 – закрыт. конденсатор заряжается импульсом тока i ai a 11 2. t 11 < < tt 22 ee 22 < < u u d, d, конденсатор разряжается на нагрузку ( ). ). VV 1 и VV 2 – закрыты. 3. t 22 < > u u dd , , VV 2 – открыт, VV 1 – закрыт. конденсатор заряжается импульсом тока i ai a 22 Амплитуда второго импульса будет меньше первого, т. к. на конденсаторе в момент t 22 u u dd > > 00 По мере увеличения напряжения u u dd время заряда конденсатора уменьшается, а время разряда увеличивается. Через несколько периодов наступает положение, когда ud изменяется возле своего среднего установившегося значения. н R