Промислова електроніка Вступ Електроніка — це область сучасної фізики і електротехніки, яка займається вивченням та використанням явищ та приладів, заснованих на проходженні електричного струму у вакуумі, газі і твердому тілі, дослідженням і розробкою електронних засобів та принципів їх використання. Відповідно і прилади, які використовують зазначені вище явища, отримали назву електронні (вакуумні), іонні (газорозрядні) і напівпровідникові. Головне місце серед них зараз займають напівпровідникові прилади. Загальною властивістю всіх зазначених приладів є те, що вони суттєво нелінійні елементи, а нелінійність їх вольт амперних характеристик (ВАХ) визначає важливі їх властивості.
Промисловий розвиток електроніки можна розділити на два напрямки: • Інформаційний, до якого відносяться електронні засоби вимірювання, контролю та керування різними процесами, включаючи виробництво та наукові дослідження у багатьох інженерних та неінженерних галузях (біологія, медицина і ін. ). Підсилювачі сигналів, генератори напруг та струмів різної форми, логічні схеми, лічильники, індикаторні пристрої та дисплеї обчислювальних машин — все це пристрої інфор маційної електроніки. Характерними ознаками сучасної інформаційної електроніки є складність та різноманітність вирішуваних задач, висока швидкодія та надійність. Інформаційна електроніка нерозривно зв'язана із застосуванням інтегральних мікросхем. • Силовий (енергетичний) — зв'язаний з перетворенням змінного та постійного струмів для потреб електроенергетики, електротяги, мета лургії та ін. Основними видами пристроїв силової електроніки є випрямлячі (перетворювачі змінного струму в постійний), інвертори (перетворювачі постійного струму в змінний), перетворювачі частоти, керовані перетворювачі постійної та змінної напруги.
ПОКОЛІННЯ РОЗВИТКУ ЕЛЕКТРОНІКИ Перше покоління (1904— 1950 р. р. ) характеризується тим, що основу елементної бази електронних пристроїв складали Електровакуумні прилади, дія яких основана на використанні електричних явищ в вакуумі або газі. Відповідно до характеру робочого середовища електровакуумні прилади підрозділяють на електронні та іонні. Електронні пристрої, виконані на лампах, мали порівняно великі габарити та масу. Число елементів в одиниці об'єму (компактність монтажу) електронних пристроїв першого покоління складало К =0, 001 . . . 0, 003 ел/см 3. Друге покоління (1950 — початок 60 х рр. ) характеризувалося використанням дискретних напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів та тиристорів) як основної елементної бази. Складання електронних пристроїв другого покоління здійснювалось звичайно автоматично з застосуванням друкованого монтажу, при якому напівпровідникові прилади та пасивні елементи розташовувалися на друкованій платі — діелектричній пластині з металізованими отворами (Компактність монтажу електронних пристроїв другого покоління за рахунок застосування малогабаритних елементів складала К = 0, 5 ел/см 3.
Третє покоління електронних пристроїв (1960— 1980 рр. ) зв'язано з бурхливим розвитком мікроелектроніки — розділу електроніки, який охоплює дослідження та розробку якісно нового типу електронних приладів — інтегральних схем — та принципів їх використання. Основною елементною базою цього покоління електронних пристроїв стали інтегральні схеми та мікрозбірки. Інтегральна схема представляє собою сукупність декількох взаємозв'язаних елементів (транзисторів, резисторів, конденсаторів та ін. ), виготовлених у спільному технологічному циклі. Мікрозбірка представляє собою ІС, у склад якої входять однотипні елементи (наприклад, тільки діоди або тільки транзистори). Компактність монтажу електронних пристроїв третього покоління складає К < 50 ел /см 3. Четверте покоління (1980 р. до теперішнього часу) характеризується подальшою мікромініатюризацією електронних пристроїв на базі застосування ВІС та НВІС, коли вже окремі функціональні блоки виконуються в одній інтегральній схемі, яка являє собою готовий електронний пристрій Компактність монтажу електронних пристроїв четвертого покоління складає К = 1000 ел/см і вище.
АНАЛОГОВІ ТА ДИСКРЕТНІ ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ Аналогові електронні пристрої призначені для приймання, перетворення та передачі електричного сигналу, який змінюється за законом безперервної (аналогової) функції. Дискретні електронні пристрої (ДЕП) призначені для приймання, перетворення та передачі електричних сигналів, одержаних шляхом квантування (процес заміни безперервного сигналу його значеннями в окремих точках) за часом та (або) рівнем заданої аналогової функції х(t). Тому діючі в них сигнали пропорційні обмеженому числу обраних за визначеним законом значень реальної фізичної величини, відображеної у вигляді різних параметрів імпульсів або перепадів напруг (струмів) (амплітуди, тривалості фронту та спаду імпульсів, тривалості імпульсу, періоду проходження імпульсів, частоти проходження імпульсів, тривалості паузи і т. п. ).
Електроніка і в сільському господарстві Автоматизовані системи функціонування сільськогосподарських об’єктів у тваринництві (корівники, пташники, свинарники і т. п. ), рослинництві (тепличні господарства і т. п. ). Енергозабезпечення всього сільського господарства як за допомогою централізованих електромереж, так і за допомогою автономних джерел живлення, включаючи альтернативну енергетику. Все більше електронних систем входить до складу різноманітної с/г техніки і т. д.
ПРИНЦИП РОБОТИ І ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ Напівпровідниками називаються матеріали, які мають питомий опір з межах r= 10 5 10 10 Ом • см та займають по цьому показнику Проміжне положення між металами (r=10 6 10 5 Ом • см) та діелектриками (r = 10 10 10 15 Ом • см). Найважливішою ознакою напівпровідників є сильна залежність електричного опору від температури, ступеня опромінення світлом або рівня іонізуючого випромінювання, кількості домішок та інше. При нагріванні питомий опір провідників збільшується, а напівпровідників зменшується. Це свідчить про різний характер провідності цих матеріалів.
ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД
Електричні процеси в р-п-переході
НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ Напівпровідниковий діод — електроперетворювальний прилад з одним р n переходом і двома виводами. Властивості, технічні характеристики та параметри діода визначаються р n переходом. На практиці знаходять застосування точкові, площинні, сплавні і дифузійні діоди. За функціональним призначенням діоди поділяють на випрямні, високо частотні(універсальні), імпульсні, опорні (стабілітрони), перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди, тунельні та інші.
Випрямні діоди. Випрямні діоди (ВД) – це напівпровідникові діоди, які застосовують для перетворення змінного струму в постійний в обмеженому діапазоні частот (50 Гц … 100 к. Гц). Крім того, ВД часто використовують у схемах керування та комутації для обмеження паразитних виходів напруги, для розв’язку електричних кіл тощо. ВД виконують на основі р n переходу, який має дві зони. Одну з них низькоомну (має більшу кількість домішок, зазвичай, зону із провідністю р) називають емітером. Другу зону (більш високоомну, яка має меншу концентрацію домішок, зазвичай, зону з провідністю n) називають базою. До емітера та бази підведено металічні контакти, які відповідно називають анодом і катодом.
В основі роботи ВД властивість односторонньої провідності р n переходу, суть якої в тому, що цей перехід добре проводить струм (має малий опір)при прямому вмиканні, але практично не проводить струм (має дуже великий опір) при зворотному вмиканні Це підтверджують вольт амперні характеристики (ВАХ) ВД: ідеального (рис. 2 а) і реального (рис. 2, б). Пряму гілку ВАХ ВД можна описати рівнянням: де : Іпр і Uпр – відповідно прямий струм і пряма напруга; , Zб – опір бази (складає десятків омів); тепловий потенціал (k– постійна Больцмана; q – заряд електрона; Т – абсолютна температура, К; при Т=300 К, φТ=0, 026 В); І0 – зворотній струм р n переходу.
Вольт-амперні характеристики ВД: а – ідеального діода, б – реального діода Вольт-амперні характеристики ВД: ідеального діода, б – реального діода.
Робочою ділянкою ВАХ ВД є лінійна (омічна) ділянка характеристики прямому вмиканні (ділянка 2 3 на рис. 2, б). Нахил характеристики на цій ділянці визначає опір Zб базової області. На практиці гілку ВАХ прямого вмикання ВД апроксимують ламаною лінією (ділянка 0 1 і 1 3 рис. 2, б). З рисунка видно, що при uпр > Епр (ділянка 1 3); Іпр= 0 при uпр<Епр (ділянка 0 1). Тут Епр (0, 5… 0, 7)· к, де к – напруга потенціального бар’єра р n переходу (становить приблизно 0, 3… 0, 9 В); Zб =ctg. ВАХ ВД залежить від температури Т навколишнього середовища. Зі збільшенням температури зростатимуть прямий і зворотний струм діода.
Вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в).
Випрямні діоди використовують вентильні властивості р n переходу і застосовуються для перетворення змінного струму впостійний. Крім цього, випрямні діоди широко використовують у схемах керування та комутації, для обмеження паразитних викидів напруг у колах з індук тивними лементами, як елементи розв'язки в електричних е колах та ін. Високочастотні діоди — це напівпровідникові прилади універсального призначення. Їх застосовують у тих самих електронних пристроях, що й випрямні діоди, однак при меншому електричному навантаженні. Одним з основних параметрів високочастотних діодів є ємність діода. Інші параметри високочастотних діодів такі самі, як у випрямних. Імпульсні діоди — це напівпровідникові діоди, які мають малу тривалість перехідних процесів і які використовують як ключові елементи в пристроях імпульсної техніки. Надвисокочастотні діоди (НВЧ діоди) — це напівпровідником діоди, які призначені для перетворення і обробки надвисокочастотній сигналів (до десятків і сотен гігагерц). НВЧ діоди широко застосовуються в пристроях генерації і підсилення електромагнітних коливань НВЧ діапазону, помноження частоти, модуляції, регулювання і обмежена сигналів та ін. Типовими представниками цієї групи діодів є змішувальа (одержання сигналу суми або різниці двох частот), детекторні (виділення постійної складової НВЧ сигналу) і перемикаючі (керування рівнем потужності надвисокочастотного сигналу).
До основних стандартизованих параметрів випрямних діодів відносяться: Середній прямий струм Іпр. середнє за період значення прямого струму. Постійна пряма напруга Uпр значення постійної напруги на діоді при заданому постійному прямому струмі. Постійна зворотна напруга Uзв значення постійної напруги, прикладеної до діода в зворотному напрямку. Максимально припустима постійна зворотна напруга Uзвmax Максимально припустима імпульсна зворотна напруга Uзв. і. max Постійний зворотний струм І зв значення постійного струму, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданій, зворотній напрузі.
Істотне значення для оцінки властивостей високочастотних діодів мають: Загальна ємність діода Сд ємність, виміряна між виводами діода при заданих напрузі зсуву і частоті. Диференціальний опір rдиф відношення приросту напруги на діоді до малого приросту струму , що викликав це збільшення. Діапазон частот Δf різниця граничних значень частот, при яких середній випрямлений струм діода не менше заданої частки його значення на нижчій частоті. Основні параметри імпульсних діодів: Час відновлення зворотного опору τв інтервал часу від моменту проходження струму через нуль після переключення діода з заданого прямого струму в стан заданої зворотної напруги до моменту досягнення зворотним струмом заданого низького значення. Заряд переключення Qпк частина накопиченого заряду, що випливає в зовнішній ланцюг при зміні напрямку струму з прямого на зворотній. Загальна ємність Сд ємність, виміряна між виводами діода при заданих напрузі зсуву і частоті. Імпульсна пряма напруга Uпр. і пікове значення прямої напруги на діоді при заданому імпульсі прямого струму. Імпульсний прямий струм Іпр. i пікове значення імпульсу прямого струму при заданій тривалості, шпаруватості і формі.
Стабілітрони (опорні діоди) призначені для стабілізації рівня напруги. Їх робота базується на використанні явища електричного пробою p n переходу при включенні діода у зворотному напрямку. Варикап — це напівпровідниковий діод, дія якого засновується на використанні залежності бар'єрної (зарядної) ємності від значення прикладеної напруги. Це дозволяє застосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.
Вольт-амперні характеристики стабілітрона (а)умовне позначення (б) і його включення в схему стабілізації постійної напруги (в)
Основні параметри кремнієвих стабілітронів Напруга стабілізації Ucт падіння напруги на стабілітроні в області стабілізації при номінальному значенні струму. Мінімальний струм стабілізації Іст. min таке значення струму через стабілітрон, при якому виникає стійкий пробій. Максимальний струм стабілізації Іст. max найбільше значення струму через стабілітрон, при якому потужність, що розсіюється на стабілітроні, не перевищує припустимого значення. Диференціальний опір rст відношення збільшення напруги на стабілітроні до збільшення струму в режимі стабілізації Максимальна потужність розсіювання Рmax найбільша потужність, що виділяється в р п переході, при якій не виникає тепловий пробій переходу. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації αст відношення відносної зміни напруги стабілізації і до абсолютної зміни температури навколишнього середовища (виражається в %/град)
Вольт-фарадна характеристика варикапа (а), його умовне позначення (б)
Скачать презентацию Промислова електроніка Вступ Електроніка це область сучасної
L1.pptx