Тема № 5 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 1

Тема № 5 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

§ 1. Элементная база современных электронных устройств 1. 1. Физические основы полупроводниковой электроники Электроника подразделяется на – физическую электронику, изучающую физические явления, которыми сопровождается движение электрических зарядов в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах, плазме и на границах этих сред; – техническую электронику , изучающую свойства, параметры и характеристики приборов, использующих эти явления, и функциональные устройства на основе этих приборов.

Элементной базой современной электроники являются приборы и полупроводниковые микросхемы. Полупроводниковые материалы по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Основными полупроводниковыми материалами являются германий Ge и кремний Si — элементы четвертой группы таблицы Менделеева. Это кристаллические вещества с ковалентной связью между атомами.

Aтомы располагаются в узлах кристаллической решетки, а четыре валентных электрона каждого атома вращаются по общим с соседними орбитам, в связи с чем ковалентные связи достаточно прочны. При температуре абсолютного нуля все валентные электроны связаны с соответствующими атомами, свободных носителей заряда нет, электропроводность полупроводника равна нулю.

С повышением температуры энергия движения валентных электронов растет, часть их рвет свою связь с атомами, превращаясь в свободные электроны. Незаполненная связь равносильная появлению положительного заряда, численно равному отрицательному заряду электрона, называется дыркой. Свободные электроны и дырки – подвижные носители заряда, которые и определяют электропроводность полупроводников.

Элсктропроводность, обусловленная генерацией пар носителей заряда электрон-дырка при нагревании полупроводника, называется собственной электропроводностью. При нормальной окружающей температуре (+20°С) собственная электропроводность полупроводников незначительна. Ее можно существенно повысить, если в чистый исходный кристалл ввести примесь трех- либо пятивалентного вещества (индий In либо мышьяк As (арсеникум) ).

As +

Принцип действия и свойства полупроводниковых приборов определяются свойствами р — n перехода, который образуется при соприкосновении (на атомном уровне) полупроводников типа n и p.

Прямое включение р — n перехода

Обратное включение р — n перехода

Вольтамперная характеристика р — n перехода

1. 2. Классификация полупроводниковых приборов Основные элементы электронных схем современной электроники :

Полупроводниковые диоды — это элементы с одним р-n переходом. В различных типах диодов используется то или иное свойство р-n — перехода (те или иные участки ВАХ р-n — перехода). Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рисунке.

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами : • обратный ток при некоторой величине обратного напряжения I обр , мк. А; • падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод U пр , в ; • емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С , п. Ф; • диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока f гр , к. Гц; • рабочий диапазон температур.

Конструкция диода малой мощности средней мощности

Стабилитрон — полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д 814 Д

Стабистор — полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0, 7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений. Варикап — полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением. Туннельный диод — полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении.

Вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода

Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Обращенный диод — полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода» , а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. Отсюда и название – обращенный диод.

. Вольт – амперная характеристика обращенного диода

– графическое изображение стабилитрона – графическое изображение варикапа – графическое изображение туннельного диода – графическое изображение обращённого диода

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n– переходами, имеющий три вывода и обладающий усилительными свойствами. Средний слой и соответствующий вывод называют базой , один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером , а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.

Два р-п — перехода биполярных транзисторов могут быть образованы различным чередованием областей р и n — типов. Поэтому существует два типа биполярных транзисторов: р-п-р и п-р-п. Транзистор имеет три вывода: эмиттер Э , коллектор К и базу Б. Между токами выводов существует соотношение I Э = I К + I б , причем I б << I К. Как усилительный элемент транзистор должен быть четырехполюсником: два полюса для входного сигнала и два полюса для выходного сигнала.

30 Но при наличии только трех выводов для образования четырехполюсника один из выводов должен быть общим для входа и выхода. Поэтому различают три возможные схемы включения биполярного транзистора с общей базой (ОБ) , с общим коллектором (ОК) и с общим эмиттером (ОЭ).

Как элемент электрической цепи биполярный транзистор является нелинейным элементом. Поэтому для расчета и анализа схем с транзисторами необходимо задавать его вольтамперные характеристики. Поскольку транзистор имеет входную и выходную цепи, то задаются в справочниках и две характеристики. Входной характеристикой транзистора, включаемого по схеме с ОЭ , называется зависимость тока базы I б от напряжения между базой и эмиттером U бэ при заданном напряжении на коллекторе, т. е. I б ( U бэ ) при U K = const. Входная характеристика есть прямая ветвь ВАХ базового р-п – перехода.

По сути — характеристика прямого включения р-n — перехода

Выходной. характеристикой биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ , называется зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоян ном токе базы, т. е. I K ( U KЭ ) при I б = const. При различных токах базы образуется семейство выходных характеристик.

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители. Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора. а) с управляющим переходом и каналом p — типа; б) с управляющим p-n –переходом и каналом n — типа

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС).

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n – переходов. Тиристор по принципу действия – прибор ключевого типа. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном – разомкнутому ключу.

Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Приборы с управляющими электродами называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники.

Графическое изображение тиристора

При увеличении внешнего прямого напряжения до величины U пер происходит лавинный пробой перехода П 2, ток I а резко возрастает до величины, ограниченной внешним сопротивлением R н , а напряжение на тиристоре резко падает до величины 1 -2 В. Таким образом, тиристор переходит скачкообразно во включенное состояние.

Если в цепь УЭ — К подать некоторый ток управления I у , то тиристор включается при меньшем напряжении U neр1 , а при некотором I у = I спр ( ток спрямления) тиристор включается при U neр = 2 — 5 В. При обратном внешнем напряжении U oбp тиристор ведет себя как обычный выпрямительный диод. После включения тиристор остается во включенном состоянии и при I у = 0, если на его аноде присутствует прямое напряжение. Поэтому для включения тиристора при наличии положительного напряжения на его аноде U paб < U mp достаточно в цепь УЭ — К подать кратковременный импульс тока управления.

Главным недостатком тиристора является неполная его управляемость: импульсом управления его можно включить, но нельзя выключить. Для выключения (запирания) тиристора необходимо каким-либо образом прервать прямой ток I а на некоторое время t — время восстановления запирающих свойств (20 -200 мкс).

В цепях переменного тока происходит естественная коммутация тиристора (запирание обратной полуволной напряжения источника питания. Чтобы включить тиристор на следующей положительной полуволне, необходимо в нужный момент времени вновь подать импульс управления. В цепях постоянного тока для выключения тиристоров применяют устройства искусственной коммутации.

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение. Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра.

Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует частотам примерно от 0, 5·10 12 Гц до 5·10 17 Гц.

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары). Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры , а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны , в которых применяются пары светодиод — фотодиод , светодиод — фототранзистор , светодиод-фототиристор.

Светодиод работает в видимом диапазоне волн. Излучение возникает при протекании прямого тока диода

Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон — дырка , увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление).

Структура ( а ) и схематическое обозначение ( б ) фоторезистора

Физические процессы, протекающие в фотодиодах , носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n — перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенных в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически и одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, в котором положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока). Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Вначале такие усилители использовались в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д. ). Это объясняет происхождение термина «операционный» .

Графическое обозначение операционного усилителя

Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя 601 R R uu ос вхвых

Напряжение u диф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). . 61 uuu диф u u

Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение u вых при изменении дифференциального сигнала. Передаточная характеристика операционного усилителя К 140 УД 1 Б

В линейном режиме где К – коэффициент усиления по напряжению Обычно величина К лежит в пределах 10 4 … 10 5. Например, для операционного усилителя типа К 140 УД 1 Б К =1350… 12000, для операционного усилителя К 140 УД 14 А К не менее 50000. 63 дифвых u. Кu

Реальные электронные устройства на основе операционных усилителей практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше К , так как в них используется отрицательная обратная связь.

Микросхемы По степени интеграции различают малые, средние, большие (БИС) и сверх большие (СБИС) интегральные микросхемы. Микросхемы представляют собой интеграцию десятков, сотен и тысяч отдельных элементов (резисторов, диодов, транзисторов) в едином кристалле полупроводника с образованием необходимых соединений между ними. Этот кристалл помещается в корпус с образованием необходимых выводов для внешних соединений.

§ 2. Аналоговые функциональные устройства 2. 1. Источники питания Для работы функциональных устройств электроники в большинстве случаев требуются различные уровни постоянных напряжений. Поэтому в качестве основной части электронной аппаратуры является блок питания.

Типовая схема вторичного источника питания

В общем случае БЛОК ПИТАНИЯ содержит: Трансформатор , изменяющий переменное напряжение сети до необходимого уровня; Выпрямитель , преобразующий переменное напряжение в пульсирующее напряжение; Сглаживающий фильтр , снижающий пульсации выпрямленного напряжения ; Стабилизатор постоянного напряжения, снижающий изменения входного напряжения при изменениях напряжения сети.

Для уменьшения веса и габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра, работающих на частоте 50 Гц, используют источник питания с преобразователем частоты

Инверторы – это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный

Схема состоит из инвертирующего тиристорного моста VS 1 -VS 4, в одну из диагоналей которого включен последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора С K , дросселя L K и нагрузки с сопротивлением R H. К другой диагонали подключен источник постоянного напряжения U o. С помощью системы управления импульсами тока осуществляется попарное отпирание тиристоров — VS 1 -VS 2 и VS 3 -VS 4 с частотой ω У .

Параметры L K , C K и R H выбираются такими, чтобы переходный процесс перезаряда конденсатора С К был затухающим колебательным. При отпирании очередной пары тиристоров, например, VS 1 -VS 2, происходит колебательный перезаряд конденсатора C K по цепи: + U о VS 1 C К L К R H VS 2 – U о.

К концу полупериода собственной частоты контура ω с = 1/ √ L К C К ток в нем спадает до нуля, и тиристоры VS 1 -VS 2 запираются, сформировав прямую полуволну напряжения U H на нагрузочном резисторе R H. Спустя время, равное времени выключения тиристоров VS 1 -VS 2, отпирается другая пара тиристоров VS 3 -VS 4, при этом образуется контур обратного перезаряда конденсатора C К : + U о VS 3 C К L К R H VS 4 – U о. , a в нагрузочном резисторе – обратная полуволна напряжения U H. Далее процессы в схеме периодически повторяются.

2. 2. Выпрямители бывают однополупериодные и двухполупериодные, однофазные и трехфазные, неуправляемые и управляемые. Выпрямленное напряжение U B характеризуется: — средним за период значением напряжения U СР ; — частотой пульсаций ω п ; — коэффициентом пульсаций р, равным отношению амплитуды основной гармоники U осн. M к среднему значению U СР ; Основными элементами неуправляемых выпрямителей являются выпрямительные диоды, тип которых выбирается по максимальному значению обратного напряжения U обр. M и среднему значению прямого тока I пр.

Принцип действия выпрямителей определяется односторонней проводимостью диодов: в каждый рассматриваемый момент времени ток в нагрузку R H протекает через тот диод ( или пару диодов в двухполупериодных схемах), напряжение на аноде которого положительное. Однофазные выпрямители применяют при мощности до 1 к. Вт. , трехфазные, как правило, при мощности свыше 1 к. Вт. По таким же схемам выполняются управляемые выпрямители, но в них вместо диодов применяются тиристоры.

Управляемые выпрямители, помимо преобразования переменного напряжения U 2 в пульсирующее U в позволяют плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения U cр в пределах от нуля до максимального значения, соответствующего неуправляемому выпрямителю.

Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения

2. 3. Сглаживающие фильтры Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры – устройства, уменьшающие эти пульсации. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S = ε 1 / ε 2 , причем ε 1 и ε 2 определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Схемы фильтров, применяемых в выпрямителях

2. 4. Стабилизатор постоянного напряжения Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы. Простейшими являются стабилизаторы параметрического типа, состоящие из балластного резистора и стабилитрона.

Если напряжение u вх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения u вых . При изменении напряжения u вх изменяется только ток i , а также напряжение 89 Riu R

2. 5. Преобразователи частоты применяют тогда, когда потребители требуют для своего функционирования электрическую энергию непромышленной частоты (электротермические или ультрозвуковые технологические установки) либо энергию регулируемой частоты (регулирование частоты вращения асинхронных и синхронных двигателей).

U 1 , f 1 U 2 , f 2 В ИU 0 , f =0 Выпрямитель В преобразует переменное напряжение U 1 частотой f 1 в постоянное напряжение U o , а инвертор И осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения U o в переменное U 2 требуемой частоты f 2 , которая, при необходимости, может плавно регулироваться в заданных пределах.

2. 6. Преобразователи постоянного напряжения Основными структурными составляющими преобразователей постоянного напряжения являются инвертор И, трансформатор Т 1 и выпрямитель В. Инвертор И преобразует постоянное напряжение U о 1 в переменное U 1 , трансформатор Тр повышает или понижает его до уровня U 2 , а выпрямитель В преобразует переменное напряжение U 2 в постоянное U о 2 требуемой величины.

U 1 , f 1 U 2 , f 2 В ИU 01 , f =0 Тр U 02 , f =

§ 3. Аналоговые электронные устройства 3. 1. Усилители Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения мощности входного сигнала без искажения его формы. Причем, мощность, требующаяся для управления, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а форма входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают

Мощность сигнала может быть увеличена за счет увеличения напряжения (усилители напряжения), за счет увеличения тока (усилители тока), за счет увеличения и напряжения, и тока с получением максимума мощности на выходе (усилители мощности).

Функциональная схема усилителя

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам: по частоте усиливаемого сигнала: — усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов с частотой от 10 Гц до 100 к. Гц; — широкополосные усилители, усиливающие сигналы от 1 до 100 МГц; — избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

по роду усиливаемого сигнала : — усилители постоянного тока (УПТ), — усиливающие электрические сигналы с частотой от 0 Гц и выше; — усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля; по функциональному назначению: — усилители напряжения, — усилители тока — усилители мощности

Основным качественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению K U , по току K I по мощности K P 99 вх вых U U U K вх вых I I I K вх вых P P P K

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов: К=К 1 ·К 2 ·… ·К n. Коэффициенты усиления часто выражаются в логарифмических единицах – децибелах: K U (д. Б)=20 lg K U ; K I (д. Б)=20 lg K I ; К Р (д. Б)=10 lg K P.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U вх =0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2– 3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Частоты f н и f в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность ( f н –f в ) – полосой пропускания усилителя.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты.

Переходная характеристика – это зависимость выходного сигнала от времени при скачкообразном входном воздействии. Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом.

Обратная связь в усилителях Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину).

В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС). При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала. При этом уменьшаются искажения сигнала, расширяется частотный диапазон и т. д.

Обратные связи подразделяются на: последовательная по напряжению (а); параллельная по напряжению (б); последовательная по току (в); параллельная по току (г).

3. 2. Усилитель на биполярном транзисторе В усилителе в качестве активного элемента использован биполярный транзистор. Перед тем, как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа Отсюда находим ток коллектора i K : что соответствует линейной зависимости вида: . 1120 ККЭKK Еu. Ri K K КЭ K KE R u R i 11 bxay

Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки

Пересечение линейной зависимости тока коллектора с семейством выходных характеристик транзистора представляет собой результат графического решения задачи. Самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y — режим отсечки ( i К = 0 ), а самое верхнее положение – точке Z -режим насыщения ( u кэ = 0 ). Cистема имеет множество решений (точек пересечения), электрическое состояние рассматриваемой цепи зависит oт тока базы транзистора.

При подаче на вход положительного напряжения U рабочая точка будет смещаться по линии нагрузки, занимая все промежуточные между точками Z и Y. При увеличении входного I б ток коллектора I К будет расти, а выходное напряжение U K уменьшаться, повторяя форму входного сигнала. Если входной сигнал уменьшится до нуля, то рабочая точка вновь вернется в положение Y, в котором транзистор практически закрыт, а напряжение на его выходе имеет максимальное значение ( U К ≈ Е К ).

При подаче на вход отрицательного напряжения (запирающего транзистор) положение рабочей точки и напряжение на выходе U K транзистора не изменится. Поэтому выходной сигнал U выx. = U K по форме не будет повторять переменный входной сигнал U вх. , что недопустимо. Для того, чтобы усиление сигнала происходило без искажения его формы, необходимо режим покоя задать с размещением рабочей точки приблизительно в середине линии нагрузки (точка НРТ), т. е. задать начальный ток базы I БП с помощью резисторов R 1 и R 2 .

В этом случае под действием входного переменного напряжения U вх. рабочая точка имеет возможность при положительной полярности смещаться из положения НРТ к точке Z , а при отрицательной полярности — от положения НРТ к точке Y. Выходное напряжение U K будет также изменяться от значения U KП до U КМИН. или до U КМАХ. в зависимости от полярности U вх. т. е. будет содержать постоянную составляющую U KП и переменную составляющую, повторяющую по форме входной сигнал U вх.

Чтобы исключить постоянную составляющую U КП в выходном сигнале, нагрузку подключают через разделительный конденсатор С 2 , а чтобы не изменить положение НРТ в режиме покоя ( I БП ) , источник входного сигнала к базе транзистора подключают через разделительный конденсатор С 1.

К смещению НРТ может привести изменение I БП за счет нестабильности источника питания Е К а также изменения температуры р-п — переходов, приводящие к изменению собственной электропроводности полупроводника.

В наиболее ответственных случая следует применять стабилизированный источник питания и вводить элементы температурной стабилизации режима покоя R Э и C Э . В режиме покоя через резистор R Э протекает постоянный ток эмиттера I ЭП , создающий падение напряжения U RЭ = I ЭП R Э Это напряжение через резистор R Б 2 прикладывается к переходу база — эмиттер в обратном направлении.

Повышение температуры стремится увеличить ток I ЭП , а значит, и I КП , т. е. сместить положение НРТ. При этом напряжение U RЭ стремится увеличиться и запереть транзистор, т. е. уменьшить ток I КП. Уменьшение темпера-туры изменяет механизм взаимодействия на обратный в соответствии со вторым законом Кирхгофа U б 2 = U RЭ + U б. Э или U б. Э = U б 2 — U RЭ

Чтобы элементы температурной стабилизации не реагировали на полезный переменный сигнал, установлен конденсатор С э достаточно большой емкости. Для переменного сигнала сопротивление Х сэ = 1/ω С Э близко к нулю, поэтому он практически не создает падения напряжения на R Э (шунтирует этот резистор на переменном токе) и не воздействует обратной связью на вход транзистора.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АБ, В, С и D. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля ( i к > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала (рассмотренный RC – усилитель обычно работает в режиме А ). В режиме В ток I кн =0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.

Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени, когда входное напряжение превышает запирающее напряжение. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

§ 4. Импульсные и автогенераторные устройства В отличии от аналоговых в импульсных функциональных устройствах кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой. В импульсных устpoйcтвах полупроводниковые приборы работают в ключевом режиме, предполагающем только два крайних состояния: включено и выключено.

Импульсный режим работы устройств имеет следующие два важнейших преимущества: резко повышается помехоустойчивость; информация о сигнале простым и естественным образом представляется в цифровой форме, что позволяет использовать большие и все возрастающие возможности цифровой обработки информации.

Участок трапецеидального импульса АВ называют фронтом, участок ВС – вершиной, участок СD – срезом, отрезок АD – основанием. Иногда участок АВ называют передним фронтом, а участок СD – задним фронтом.

Более сложный по форме, приближенный к реальному, вид импульса ( рисунок а): t и –длительность импульса; t ф –длительность фронта; t с – длительность среза; t х – длительность хвоста; U m – амплитуда (высота); Δ U – спад вершины; U обр – амплитуда обратного выброса.

При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных допущений. Например, длительность импульса и фронта импульса часто определяют так, как показано на рисунке б. Рассмотрим периодически повторяющийся импульс

Т –период повторения; f=1/T – частота; t и – длительность импульса; t п – длительность паузы; Q=T / t и – скважность импульса; К з = 1 / Q = t и / T – коэффициент заполнения.

Наиболее распространенным генератором прямоугольных импульсов является мультивибратор, который представляет собой двухкаскадный усилитель с глубокими положительными перекрестными обратными связями.

Из прямоугольного импульса нетрудно сформировать импульс экспоненциальной формы

Для формирования линейно изменяющегося напряжения применяют интегрирующую цепь в совокупности с электронным ключом Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Транзисторные ключи

Простейший ключ на биполярном транзисторе

Триггеры Триггер — электронное устройство , обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия, способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. Схема триггера может быть получена из схемы мультивибратора, если конденсаторы в обратных связях заменить резисторами

Триггер имеет два входа (базы транзисторов VT 1 и VТ 2) и два выхода (коллекторы транзисторов). Триггер с двумя раздельными входами получил название RS – триггера.

Закон функционирования триггеров удобно описывать таблицей переходов (таблицей истинности) Через S t , R t , Q t обозначены соответствующие логические сигналы, имеющие место в некоторый момент времени t , а через Q t+1 – выходной сигнал в следующий момент времени t+1.

§ 5. Основы цифровой электроники 5. 1. Математические и логические основы цифровой электроники

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов. Для цифрового представления информации характерно полное абстрагирование от особенностей электрических процессов в электронной схеме, выполняющей обработку сигналов.

На рисунке приведены примеры условных графических обозначений основных логических элементов.

5. 2. Кодирование импульсных сигналов двоичной системой счисления.

5. 3. Способы передачи информации: последовательный, параллельный

§ 6. Микропроцессорные средства

На основе микропроцессора может быть создан программируемый логический контроллер , основная задача которого — сбор информации с датчиков, последующая обработка по заданным пользовательским алгоритмам, а также выдача соответствующих управляющих сигналов на исполнительные устройства.

Применение МП для управления технологическими процессами, металлорежу-щими станками, прокатным оборудованием, уличным движением, измерительными процес-сами позволяет рассредоточить функции управления, разгрузить большие ЭВМ, за которыми в этом случае остаются функции центрального управления. На примере цифрового вольтметра (ЦВ ) рассмотрим что даёт применение микро-ЭВМ.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП ) преобразует аналоговую измеряемую величину U x в цифровой код, а цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) представляет результат измерения в цифровой форме. .

В состав собственно микро-ЭВМ входят МП , постоянное запоминающее устрой-ство ПЗУ , хранящее неизменяемую цифровую информацию (нaпpимер, коды команд, образующих программу работы ЦВ ), и оперативное запоминающее устройство ОЗУ , в которое заносится текущая, обновляемая в процессе работы цифровая информация

Тема № 6 ЭЛЕКТРИЧЕСКИ Е ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

§ 1. Классификация средств и методов измерений ИЗМЕРЕНИЕМ называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств – средств измерений. Средства электрических измерений – технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

К ним относятся: меры; электроизмерительные приборы; измерительные преобразователи; э лектроизмерительные установки; измерительные информационные системы

Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного значения. В зависимости от точности и областей применения меры делятся на: эталоны; образцовые; рабочие.

Эталоны служат для воспроизведения и хранения единицы физической величины и для передачи ее размера другим средствам измерений. Образцовые меры служат для поверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов. Рабочие меры служат для поверки измерительных приборов и для практических измерений на предприятиях и в научных организациях.

Электроизмерительный прибор — средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь — средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, хранения и обработки, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Они делятся на преобразователи электрической величины в электрическую ( шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и т. д. ) и на преобразователи неэлектрических величин в электрические — первичные преобразователи (терморезисторы, тензорезисторы, индуктивные и емкостные преобразователи и т. д. ).

Электроизмерительная установка представляет собой совокупность функционально объединенных всех выше перечисленных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенную для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенную в одном месте (поверочные установки, испытательные установки и т. д. ).

Измерительная информационная система — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для обработки, передачи и использования в автоматических, системах управления.

Методы измерений классифицируются по различным признакам: – в зависимости от способа получения результата измерения: прямые методы , при которых искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора (измерение тока амперметром, напряжения –вольтметром и т. д. ).

косвенные методы , при которых искомое значение физической величины находят на основании функциональной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений (определение сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра и т. д. ).

– в зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений: метод непосредственной оценки предполагает непосредственный отсчет измеряемой величины по показанию измерительного прибора прямого действия; метод сравнения предполагает сравнение в специальной измерительной цепи измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой.

Методы сравнения разделяют на нулевой, дифференциальный, замещения

При нулевом методе результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на прибор сравнения сводят к нулю При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой.

Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину в измерительной установке замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. При этом путем измерения известной величины добиваются такого же показания прибора, которое было при действии измеряемой величины.

§ 2. Системы электрических измерительных приборов Во всех типах электроизмерительных приборов происходит преобразование измеряемой электрической величины в механическое перемещение (чаще угловое). По перемещению указателя(стрелки, светового луча и др. ) судят о значении измеряемой величины, Совокупность деталей, образующих подвижную и неподвижную части прибора, называют измерительным механизмом (ИМ).

На подвижную часть ИМ воздействует вращающий момент Мвр , являющийся функцией измеряемой величины. Для уравновешивания Мвр на подвижную часть воздействует противодействующий момент Мпр, создаваемый с помощью растяжек или спиральных пружинок при их закручивании и пропорциональный отклонению подвижной части. Электрическая цепь, осуществляющая такое преобразование, называется измерительной цепью прибора.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу создания вращающего момента, различают измерительные системы приборов:

§ 3. Основные характеристики электрических измерительных приборов 3. 1. Чувствительность S электроизмерительного прибора – это отношение изменения сигнала на выходе электроизмерительного прибора : 194. x y S

В общем случае чувствительность Следовательно, при нелинейной статической характеристике чувствительность зависит от х, а при линейной статической характеристике –она постоянна. У электроизмерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, то есть длина всех делений одинакова. 195. lim 0 dx dy x y S x

3. 2. Статическая характеристика измерительного прибора – зависимость выходного сигнала у от входного сигнала х в статическом режиме работы указанного прибора. Статическая характеристика в общем случае описывается нелинейным уравнением: 196). (xfy

Например, для измерительных приборов магнитоэлектрической системы статической характеристикой будет являться уравнение, в котором входным сигналом будет являться электрический ток I , а выходным – угол поворота катушки α : 197. IS

3. 3. Погрешности измерительных приборов Абсолютная погрешность прибора в данной точке диапазона измерения равна: x – показание прибора; x и – истинное значение измеряемой величины. 198 и хх

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины: или в процентах 199, дихх %. 100(%) д х

Приведенная погрешность электрического измерительного прибора равна отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению x N , которое принимается равным верхнему пределу измерений (если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы) или диапазону измерения (если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений):

или в процентах 201, N х %. 100(%) N x

Класс точности К обозначается одним числом, равным максимально допустимому значению основной приведенной погрешности, выраженной в процентах: Электроизмерительные приборы делятся на 8 классов точности: 0. 05; 0. 1; 0. 2; 0. 5; 1. 0; 1. 5; 2. 5; 4. 0. 3. 4. Класс точности 202100100 Nх К

Пример : Милливольтметр со шкалой до 50 м. В имеет класс точности К =0, 5. Определить максимальную абсолютную погрешность электронного измерительного прибора. Решение : Из формулы следует, что максимальная абсолютная погрешность при измерениях во всем диапазоне равна м. В. 20325, 0 100 5 05, 0 100 Nх. К

3. 5. Цена деления электроизмерительных приборов численно равна изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указателя (стрелки) на одно деление. При равномерной шкале цена деления равна отношению предела измерения электроизмерительного прибора к числу делений шкалы : 204. п х с т

3. 6. Предел измерения электроизмерительного прибора – значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерения (многопредельные приборы). При измерениях такими приборами на различных пределах цена деления будет различна.

§ 4. Измерение тока, напряжения и мощности 4. 1. Измерение тока Для измерения тока служат амперметры, миллиамперметры и микроамперметры. Эти приборы включаются последовательно в участок электрической цепи. При этом необходимо, чтобы внутреннее сопротивление амперметра было мало по сравнению с сопротивлением участка электрической цепи.

В противном случае включение прибора вызовет существенное изменение сопротивления и тока на данном участке электрической цепи, а также и изменение режима работы всей цепи. Чтобы использовать данный прибор для измерения токов больших значений и снизить его внутреннее сопротивление, применяют шунты.

Шунт представляет собой манганиновые пластины или стержни, впаянные в медные или латунные наконечники. Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления рамки прибора. Шунт включается в электрическую цепь последовательно, а параллельно ему подключается рамка (катушка) прибора.

Схема включения прибора с шунтом: 1 – шунт; 2 – рамка (катушка) прибора; I – измеряемый ток; I ш – ток через шунт; I А – ток через рамку прибора

По первому закону Кирхгофа измеряемый ток в электрической цепи равен I А – ток через рамку прибора, А; I ш – ток через шунт, А. При параллельном соединении: – коэффициент шунтирования. 210 ш. A III шш. AA r. I A AA ш II r. I r , 1 n r r A ш AI I n

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях синусоидального (переменного) тока применяются трансформаторы тока , которые служат для преобразования больших токов в малые.

Трансформаторы тока Измерительный ТТ состоит из стержневого или кольцевого магнитопровода, набранного из тонких изолированных листов высокосортной трансформаторной стали. На одном стержне намотана первичная обмотка, как правило, выполненная из толстого провода и с малым числом витков ω 1 (иногда это может быть просто стержень – 1 виток).

Вторичная обмотка имеет обычно большое число витков ω 2 , которое рассчитывают таким образом, чтобы при подключении к ней амперметра, т. е. прибора с очень малым внутренним сопротивлением, номинальный ток в ней составил бы 5 А. Вместо амперметра вторичная обмотка шунтируется малым сопротивлением, падение напряжения на котором пропорционально току вторичной обмотки.

Так как Обычно число витков W 1 небольшое (1– 4 витка), а число витков W 2 много больше 1. Из формулы видно, что чем больше число витков W 2 , тем меньше измеряемый ток I 2. 2162211 WIWI 1 2 21 W W II

На паспорте ТТ в виде дроби указывается коэффициент трансформации трансформатора тока: где I 1 – ток первичной обмотки, А; I 2 – ток вторичной обмотки, А; w 1 – число витков первичной обмотки; w 2 – число витков вторичной обмотки. 2171 2 2 1 w w I I K

Например, 100/5 А означает, что данный трансформатор тока рассчитан на первичный ток 100 А и вторичный ток 5 А. Коэффициент трансформации этого трансформатора K = 100/5 = 20. Зная К и получив показания амперметра во вторичной цепи трансформатора тока I 2 , можно определить первичный ток:

Большинство трансформаторов тока выпускаются с номинальным вторичным током 1 А, 5 А. 219. 21 KII

4. 2. Измерение напряжение Для измерения напряжения служат вольтметры. Они подключаются параллельно участку, на котором необходимо измерить напряжение. Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть значительно больше сопротивления участка, к которому он подключается.

В противном случае вольтметр будет оказывать влияние на токораспределение в электрической цепи и результаты измерения будут содержать большую погрешность. Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с ними включают добавочные сопротивления.

В приборах на напряжение до 300 В добавочные сопротивления вмонтированы в корпус приборов или укреплены снаружи приборов. Для измерения напряжений свыше 300 В добавочные сопротивления присоединяют к одному из выводных зажимов прибора.

Добавочные сопротивления рассчитывают так, чтобы в цепи с увеличенным напряжением по обмотке (рамке) вольтметра проходил тот же ток, что и при номинальном напряжении, на которое рассчитана обмотка.

Обмотка рассчитана на ток – ток, протекающий через рамку вольтметра, А; – напряжение на рамке, В; – сопротивление рамки, Ом. При увеличении напряжения в цепи в n раз, ток должен остаться прежним: 225, v v r U I v I U v r , v. Дv v r U rr n. U I

Отсюда Пример. Вольтметром на 15 В необходимо измерить напряжение 150 В. Определить добавочное сопротивление, если внутреннее сопротивление вольтметра 900 Ом. 226). 1(пrr vдоб

2. Добавочное сопротивление равно: Ом. Решение: 1. Определим отношение измеряемого напряжения к напряжению вольтметра: 227. 10 15 15 0 п 81008900)1(пrr vдоб

Для измерения высоких напряжений синусоидального тока применяют измерительные трансформаторы напряжения. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается параллельно потребителю и имеет большое число витков. .

В паспорте трансформатора напряжения указывается отношение напряжений первичной и вторичной обмоток. Например, 5000/100 означает, что номинальное напряжение первичной обмотки 5000 В, вторичной – 100 В. Коэффициент трансформации напряжения равен: 2305 0 100 5 000 К

Зная К и напряжение вторичной обмотки, можно определить первичное напряжение: Большинство трансформаторов напряжения выпускаются номинальным вторичным напряжением 100 В. 23121 KUU

4. 3. Измерение мощности Для измерений мощности в цепях постоянного и синусоидального тока промышленной частоты применяются ваттметры, обеспечивающие непосредственный отсчет мощности по шкале.

Ваттметр электродинамической системы состоит из двух катушек (рамок): • неподвижной, токовой из толстого провода, включаемой последовательно с потребителем; • подвижной обмотки напряжения, выполненной из тонкого провода, включаемой параллельно потребителю.

При постоянном токе вращающий момент электродинамического прибора пропорционален произведению токов в его обмотках: В ваттметре ток подвижной обмотки прямо пропорционален приложенному напряжению 235, пнвр IIk. М , / nn RUI

Следовательно, вращающий момент прямо пропорционален мощности. Поэтому электродинамический ваттметр имеет равномерную шкалу, т. е. Вращающий момент электродинамического прибора, включенного в цепь синусоидального тока: 236. ‘ Pk R U Ik. M n нвр , cos nнвр IIk. M

то есть показания ваттметра пропорциональны току, напряжению и cosφ, то есть активной мощности цепи Р. Ваттметр имеет четыре зажима: к одним двум выводится токовая обмотка, к другим двум – обмотка напряжения. Первая пара зажимов включается в измеряемую цепь последовательно, вторая – параллельно. Начала обмоток обозначаются звездочками (*) и соединяются вместе.

На шкале ваттметра указываются верхние пределы измерений тока и напряжения. Если, например, на шкале ваттметра обозначено I = 5 А и U = 100 В, это значит, что верхний предел измерения ваттметра Р = 500 Вт, то есть им можно измерять мощности до 500 Вт. Очевидно, что цена деления ваттметра равна: n – число делений шкалы. 238, n UI п Р с

4. 4. Измерение электрического сопротивления методом сравнения Наиболее точный результат измерения сопротивлений достигается мостовым методом измерения. Измерительное устройство, выполненное по мостовой схеме и позволяющее измерять электрические сопротивления методом сравнения , называют измерительным мостом.

Мост имеет четыре плеча и две диагонали. В одно из плечей моста включают измеряемое сопротивление R x , а три других плеча образованы резисторами с сопротивлениями R 2 , R 3 , R 4. В одну диагональ моста (ав) включается источник питания с э д. с. Е о , а в другую (cd) — нулевой индикатор НИ (гальванометр с высокой чувствительностью).

Изменением сопротивлений R 2 , R 3 , R 4 добиваются равновесия моста, что фиксируется отсутствием тока в измерительной диагонали (нулевое показание НИ). В равновесном состоянии выполняется условие: R x х I 1 =I 2 х R 3 и R 2 х I 1 =R 4 х I 2 или R x / R 2 = R 3 / R

Условие равновесия моста: R x х R 4 = R 2 х R 3 Из этого условия следует R x = R 2 х ( R 3 / R 4 ) Плечо R 2 называют плечом сравнения, его выполняют в виде многодекадного образцового магазина сопротивлений. Плечи R 3 и R 4 называют плечами отношений.

Отношением этих сопротивлений задают масштаб М = R 3 / R 4. Тогда измеренное сопротивление R x = M х R 2.

В инженерной практике при контроле различных технологических процессов часто приходится измерять неэлектрические величины: механические, тепловые, световые и др. Благодаря преимуществам для измерения неэлектрических величин используются средства и методы электрических измерений. § 5. Электрические методы измерения неэлектрических величин

Для этого неэлектрическую величину необходимо предварительно преобразовать в электрический сигнал. Такое преобразование осуществляется с помощью датчиков или первичных преобразований (ПП). Все многообразие ПП делится на генераторные и параметрические. Генераторные ПП вырабатывают Э. Д. С. или ток и для их функционирования, как правило, не требуется дополнительный источник питания.

К ним относятся термоэлектрические преобразователи (термопары), пьезоэлектрические, индукционные и ряд других. Параметрические ПП преобразуют изменение измеряемой неэлектрической величины в изменение того или иного параметра электрической цепи ( R, L. C ) и для их работы требуется дополнительный источник питания.

К ним относятся терморезисторы, тензорезисторы, реостатные, индуктивные, емкостные преобразователи и др. Структурная схема устройства для измерения неэлектрической величины показана на рисунке.

Измеряемая неэлектрическая величина Х поступает на вход ПП, на выходе которого появляется электрический сигнал Y(X). Далее этот сигнал преобразуется в электрической измерительной цепи (ЭЦ) в другой электрический сигнал Y ‘ , который воспринимается выходным устройством (ВУ), преобразуя его, например, в отклонение указателя а(х).

Шкала выходного устройства градуирована непосредственно в значениях неэлектрической величины Х.